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1、PCB设计中的若干电磁兼容考虑20111提提纲纲PCBPCB设计基础设计基础高速高速PCBPCB设计中的若干设计中的若干EMCEMC问题问题PCBPCB设计中应对设计中应对EMCEMC的方法的方法PCBPCB设计中通用规则和习惯设计中通用规则和习惯4批评与指正批评与指正5123提纲2一、一、PCBPCB设计基础设计基础 PCB PCB 即即 Printed Circuit Board Printed Circuit Board 的简写，中文名称的简写，中文名称为印刷电路板、是重要的电子部件，是电子元器件的支撑为印刷电路板、是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。体
2、，是电子元器件电气连接的提供者。PCBPCB设计主要步骤设计主要步骤：准备原理图准备原理图 - - 规划电路板规划电路板 - - 设置规则设置规则 - - 导入元件导入元件（网表）（网表） - - 布局布局 - - 布线布线 - - 后续处理（铺通、补泪滴后续处理（铺通、补泪滴等）等） 基础PCBPCB设计中一些基本知识设计中一些基本知识：封装、：封装、PCBPCB的层结构、过孔、的层结构、过孔、PCBPCB规则规则3二、高速二、高速PCBPCB设计中的若干设计中的若干EMCEMC问题问题问题：问题：1 1、板间干扰、板间干扰2 2、模块间干扰、模块间干扰3 3、线间干扰、线间干扰4 4、信号
3、反射、信号反射5 5、地弹、地弹6 6、开关噪声、开关噪声7 7、信号辐射、信号辐射8 8、天线效应、天线效应 问题 上图为电磁兼容干扰模型组成图。电上图为电磁兼容干扰模型组成图。电磁兼容问题的处理即想办法破坏其中的形磁兼容问题的处理即想办法破坏其中的形成条件。为了更好的处理成条件。为了更好的处理PCBPCB设计中可能设计中可能存在的电磁兼容问题，有必要对一些常用存在的电磁兼容问题，有必要对一些常用元件的电磁兼容模型进行了解。元件的电磁兼容模型进行了解。4二、高速二、高速PCBPCB设计中的若干设计中的若干EMCEMC问题问题元件特性，元件特性，此处指此处指PCBPCB中可能在电磁兼容干扰模型
4、扮演其中可能在电磁兼容干扰模型扮演其中角色的单元的特性，主要为等效电感、电容等。中角色的单元的特性，主要为等效电感、电容等。电流回路模型：电流回路模型：所有信号的变化将产生电流，电流为闭环通路，电所有信号的变化将产生电流，电流为闭环通路，电路需要保证每条通路低阻抗特性，特别注意存在较大电流的通路。路需要保证每条通路低阻抗特性，特别注意存在较大电流的通路。元件的引脚元件的引脚：有引脚线的元件，其引脚存在寄生效果，如：有引脚线的元件，其引脚存在寄生效果，如1mm1mm的引脚的引脚可产生约可产生约1nH1nH的电感和的电感和4pF4pF的电容。在高频时影响较大。的电容。在高频时影响较大。电阻：电阻：
5、在寄生参数方面在寄生参数方面，贴片贴片 优于优于 直插，碳膜直插，碳膜 优于优于 金属膜金属膜 优于优于 线绕。一下是几个常用的应用场合的处理：线绕。一下是几个常用的应用场合的处理： 1 1、高频放大电路中需特别注意电阻的选择和摆放，因为其电感、高频放大电路中需特别注意电阻的选择和摆放，因为其电感特性会导致阻抗变化，故应让其寄生电感最小；特性会导致阻抗变化，故应让其寄生电感最小； 2 2、快速变化信号线的上下拉电阻需要注意电阻的选择和摆放，、快速变化信号线的上下拉电阻需要注意电阻的选择和摆放，因为因为PCBPCB电感和器件寄生电感将影响信号切换速度；电感和器件寄生电感将影响信号切换速度； 3
6、3、RCRC滤波电路中，电阻元件的寄生电感可能会导致本机振荡。滤波电路中，电阻元件的寄生电感可能会导致本机振荡。问题5二、高速二、高速PCBPCB设计中的若干设计中的若干EMCEMC问题问题电容：电容种类多，有铝电解电容、钽电容、陶瓷电容等，电容：电容种类多，有铝电解电容、钽电容、陶瓷电容等， 铝电解电容由于其内部的螺旋状金属箔结构，可实现较大容值，铝电解电容由于其内部的螺旋状金属箔结构，可实现较大容值，但寄生电感较大；但寄生电感较大； 钽电容为单块直板构成，在可靠性和寄生电感方面优于铝电解钽电容为单块直板构成，在可靠性和寄生电感方面优于铝电解电容；电容； 陶瓷电容为多个平行金属片结构，寄生参
7、数主要体现为片结构陶瓷电容为多个平行金属片结构，寄生参数主要体现为片结构感抗。感抗。 电容的绝缘介质也对其表现有很大影响，铝电解电容和钽电容电容的绝缘介质也对其表现有很大影响，铝电解电容和钽电容更适合于更适合于低频低频，陶瓷电容则适合于中，陶瓷电容则适合于中高频高频，而对于，而对于甚高频或微波电甚高频或微波电路路则需要选用低损耗陶瓷电容或云母电容。则需要选用低损耗陶瓷电容或云母电容。 在频率较高时电容的在频率较高时电容的等效串联电阻等效串联电阻也非常重要。下面是对于一也非常重要。下面是对于一些场合应用说明。些场合应用说明。 1 1、旁路电容、旁路电容 通常选择铝电解电容或钽电容；通常选择铝电解
8、电容或钽电容； 2 2、去耦电容、去耦电容 用于滤除开关噪声，频率较高，通常选择陶瓷电用于滤除开关噪声，频率较高，通常选择陶瓷电容，可多个不同容值并联使用，在布局布线时尽量降低布线阻抗；容，可多个不同容值并联使用，在布局布线时尽量降低布线阻抗；问题6二、高速二、高速PCBPCB设计中的若干设计中的若干EMCEMC问题问题电感：电感：由于其固有的电磁特性，电感是对电磁信号更为敏感的器件。由于其固有的电磁特性，电感是对电磁信号更为敏感的器件。 电感分开环电感和闭环电感，开电感有带屏蔽和不带屏蔽之分，电感分开环电感和闭环电感，开电感有带屏蔽和不带屏蔽之分，还分棒式和绕轴式。开环电感会辐射电磁信号，闭
9、环电感则不会。还分棒式和绕轴式。开环电感会辐射电磁信号，闭环电感则不会。 电感与电容、电阻比较有个好处是其没寄生感抗，故对于贴片和电感与电容、电阻比较有个好处是其没寄生感抗，故对于贴片和引线型没有大的差别。引线型没有大的差别。 电感的磁芯材料也非常重要，通常有铁和铁氧体两种，铁氧体有电感的磁芯材料也非常重要，通常有铁和铁氧体两种，铁氧体有更好的特性，故铁芯电感常用于低频电路，铁氧体芯电感则常用于高更好的特性，故铁芯电感常用于低频电路，铁氧体芯电感则常用于高频电路。频电路。 另外再另外再EMCEMC设计中经常可能用到两种特殊电感铁氧体磁珠和铁氧体设计中经常可能用到两种特殊电感铁氧体磁珠和铁氧体磁
10、夹，他们对高频信号有较强的衰减能力。磁夹，他们对高频信号有较强的衰减能力。 以下为几个常用的应用场合的处理以下为几个常用的应用场合的处理: :1 1、电感用于、电感用于DC-DC,DC-DC,需要电感辐射低，电流大。通常采用功率型绕轴式需要电感辐射低，电流大。通常采用功率型绕轴式闭环电感。闭环电感。2 2、电感用于交流电源滤波，需要其具有更好的高频特性。、电感用于交流电源滤波，需要其具有更好的高频特性。3 3、电感用于抗干扰，通常使用磁珠或磁环。、电感用于抗干扰，通常使用磁珠或磁环。问题7二、高速二、高速PCBPCB设计中的若干设计中的若干EMCEMC问题问题二极管：二极管：作为最简单的半导体
11、器件，其应用极其广泛。高频时需考虑作为最简单的半导体器件，其应用极其广泛。高频时需考虑其寄生电容，普通二极管大约为其寄生电容，普通二极管大约为10-15pF10-15pF，肖特基二极管则较低。，肖特基二极管则较低。问题8二、高速二、高速PCBPCB设计中的若干设计中的若干EMCEMC问题问题集成电路：集成电路：当前大多数电子系统中均使用大量的集成电路，集成电路当前大多数电子系统中均使用大量的集成电路，集成电路有数字集成电路、模拟集成电路、混合集成电路等，集成电路还可采有数字集成电路、模拟集成电路、混合集成电路等，集成电路还可采用不同的工艺，如当前现代数字集成电路主要采用用不同的工艺，如当前现代
12、数字集成电路主要采用CMOSCMOS工艺，也有其工艺，也有其他工艺如他工艺如TTLTTL、ECLECL（速度最快）等。（速度最快）等。 由于在高速开关下，器件需要电源提供较大的瞬时功率，故通常由于在高速开关下，器件需要电源提供较大的瞬时功率，故通常需要加去耦电容来满足瞬时功率要求。为了减少引脚和引线的电感，需要加去耦电容来满足瞬时功率要求。为了减少引脚和引线的电感，去耦电容越近越有效，封转引脚越短越好。去耦电容越近越有效，封转引脚越短越好。 在多种工艺器件在同一系统使用时需考虑电平匹配问题。在多种工艺器件在同一系统使用时需考虑电平匹配问题。 器件未使用管脚最好接地或电源，特备是器件未使用管脚最
13、好接地或电源，特备是CMOSCMOS电路，否则将会因电路，否则将会因为外部干扰导致逻辑异常，对于为外部干扰导致逻辑异常，对于MCUMCU可能导致程序运行混乱。可能导致程序运行混乱。问题9二、高速二、高速PCBPCB设计中的若干设计中的若干EMCEMC问题问题布局：布局：布局是布局是PCBPCB设计中非常重要的一个步骤，不仅需要考虑使用方便，设计中非常重要的一个步骤，不仅需要考虑使用方便，也需要考虑可能存在的也需要考虑可能存在的EMCEMC问题。问题。 布局时要考虑数字、模拟部分分开，高速、低速分开相关器件靠布局时要考虑数字、模拟部分分开，高速、低速分开相关器件靠近，敏感元件远离噪声源，对辐射大
14、的元件采用必要的隔离措施，有近，敏感元件远离噪声源，对辐射大的元件采用必要的隔离措施，有必要时也可独立制板。必要时也可独立制板。问题10二、高速二、高速PCBPCB设计中的若干设计中的若干EMCEMC问题问题问题布线：布线：布线为布线为PCBPCB设计中最繁琐的一个环节，布线直接影响信号的完整设计中最繁琐的一个环节，布线直接影响信号的完整性。性。 PCBPCB线上延迟线上延迟：1/3*101/3*108 8 s/m s/m 如对于如对于5m5m长的线，信号延迟为长的线，信号延迟为17ns17ns；通常要求工作在小于通常要求工作在小于10MHz10MHz时，走线不长于时，走线不长于7inch7i
15、nch，超过，超过50MHz50MHz，走线不，走线不大于大于1.5inch1.5inch； 过孔：过孔：一个过孔会带来一个过孔会带来0.5pF0.5pF的电容。的电容。 高速信号的反射高速信号的反射：若信号线上始端阻抗与终端阻抗不匹配，将会：若信号线上始端阻抗与终端阻抗不匹配，将会出现电磁波的反射，产生干扰脉冲，严重影响信号质量。出现电磁波的反射，产生干扰脉冲，严重影响信号质量。 串扰：串扰：板上相邻的信号线会互相感应相关信号导致干扰。板上相邻的信号线会互相感应相关信号导致干扰。 电磁辐射电磁辐射：工作频率太高或布线不合理多可能导致出现过大的电：工作频率太高或布线不合理多可能导致出现过大的电
16、磁辐射影响板上其他部分或其他电子设备工作不正常。磁辐射影响板上其他部分或其他电子设备工作不正常。11三、三、PCBPCB设计中应对设计中应对EMCEMC的方法的方法 对于提出的有些对于提出的有些EMCEMC问题，可根据其原因，采取一定的问题，可根据其原因，采取一定的方式或方法进行解决。方式或方法进行解决。1 1、屏蔽或隔离、屏蔽或隔离 2 2、合理走线、合理走线3 3、信号端接、信号端接4 4、电源去耦、电源去耦5 5、仿真技术、仿真技术 现在仿真技术越来越成熟，仿真关键在于建立合适的现在仿真技术越来越成熟，仿真关键在于建立合适的模型，设置准确的参数。当前也有一些比较优秀的模型，设置准确的参数
17、。当前也有一些比较优秀的EMCEMC仿真仿真软件，如软件，如Speed 2000 suite Speed 2000 suite 、ApsimApsim等。等。方法12四、四、PCBPCB设计中通用规则和习惯设计中通用规则和习惯 为了降低为了降低EMCEMC成本，将成本，将EMCEMC问题遏制在摇篮中，需要养问题遏制在摇篮中，需要养成好的成好的PCBPCB设计习惯，遵循一些规则。设计习惯，遵循一些规则。1 1、能用低速芯片就不用高速芯片；、能用低速芯片就不用高速芯片；2 2、对于信号过冲情况，可用串接电阻降低控制边沿跳变速率；、对于信号过冲情况，可用串接电阻降低控制边沿跳变速率；3 3、使用尽量
18、低频率的系统时钟；、使用尽量低频率的系统时钟；4 4、时钟产生器要尽量靠近，石英晶振外壳接地；、时钟产生器要尽量靠近，石英晶振外壳接地；5 5、用地线将时钟区域包围起来，尽量缩短时钟线长度；、用地线将时钟区域包围起来，尽量缩短时钟线长度；6 6、I/OI/O驱动电路尽量靠近驱动电路尽量靠近PCBPCB板边缘，让强信号尽快出电路板，外部输板边缘，让强信号尽快出电路板，外部输入的信号加滤波处理，同时使用串联端接电阻的办法减少信号反射；入的信号加滤波处理，同时使用串联端接电阻的办法减少信号反射；7 7、MCUMCU未用管脚接高电平或地或定义成输出；未用管脚接高电平或地或定义成输出；8 8、门电路输入
19、端不用时不要悬空；、门电路输入端不用时不要悬空；9 9、走线尽量直，不使用、走线尽量直，不使用9090。折线，减少信号的发射与耦合；折线，减少信号的发射与耦合；1010、板上噪声元件和非噪声元件距离尽量远；、板上噪声元件和非噪声元件距离尽量远；1111、单面板和双面板电源线和地线尽量粗，必要时采用多层板；、单面板和双面板电源线和地线尽量粗，必要时采用多层板；1212、时钟、总线及片选信号线远离、时钟、总线及片选信号线远离I/OI/O线和接插件；线和接插件；规则13四、四、PCBPCB设计中通用规则和习惯设计中通用规则和习惯1313、模拟信号线、参考电压端尽量远离数字信号线，特别是时钟线；、模拟
20、信号线、参考电压端尽量远离数字信号线，特别是时钟线；1414、对于数模混合电路，如、对于数模混合电路，如ADAD、DADA，数字部分和模拟部分宁可统一，数字部分和模拟部分宁可统一不可交叉；不可交叉；1515、不可避免的相邻信号线（尤其是时钟线），尽量垂直布置；、不可避免的相邻信号线（尤其是时钟线），尽量垂直布置；1616、尽量选用短引脚封装芯片，去耦电容尽量靠近；、尽量选用短引脚封装芯片，去耦电容尽量靠近；1717、关键信号尽量粗，必要时两侧加保护地，高速信号要短且直；、关键信号尽量粗，必要时两侧加保护地，高速信号要短且直；1818、晶振下不走线、晶振下不走线1919、切忌在弱信号周围形成电流环路；、切忌在弱信号周围形成电流环路；2020、任何信号均避免形成电流环路，不可避免时使环路区域尽量小；、任何信号均避免形成电流环路，不可避免时使环路区域尽量小；规则14规则一些图片：一些图片：15五、批评与指正五、批评与指正批评与指正 以上内容若有误或不恰当的地方请各位批评和指正，以上内容若有误或不恰当的地方请各位批评和指正，谢谢！谢谢！16
