邵小桃 电磁兼容和PCB设计.pptx

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1、 PCB 设计概念设计概念 PCB产生产生EMI的原因的原因 共模和差模电流共模和差模电流 通量消除的概念与方法通量消除的概念与方法 本章内容第1页/共56页2.1 PCB 设计概念第2页/共56页1.定义:印刷电路板 (PCB)Print Circuit Board 产品中电路元件和器件的支撑件支持电路元件和器件之间的电气连接第3页/共56页第4页/共56页第5页/共56页（1）基材和基板（2）PCB的工作层面（3）元器件的封装（4）铜膜导线（5）焊盘（6）过孔制造工艺和构成元素第6页/共56页2.PCB 基本设计构成 电路设计 建立元件库 元件布局 分层 布线 焊接 电路测试第7页/共56

2、页3.高速PCB设计中的问题(1)时序问题(2)传输线效应(3)信号沿时间下降(4)信号沿时间接近0.5ns第8页/共56页4.高速PCB设计策略与设计方法（1）优化元器件的选择（2）传输线的建模（4）阻抗控制技术（5）设计空间探测技术（3）终端匹配技术第9页/共56页设计原理原理图仿真PCB设计passSIPIEMCpassPCB性能测试PCB制版ENDNNYY第10页/共56页5.国内外PCB 设计常用工具Mentor Graphics（eg.BlazeRouter Ver 5.0.1）Cadence (eg.Concept HDL 5.2,allegro)（高速PCB设计与仿真工具SPE

3、CCTRAQuest）Power PCBUltraCADLatticeProtel/Protel SEHyperLynx第11页/共56页HyperLynx 软件介绍第12页/共56页HyperLynx 软件介绍第13页/共56页布线前的信号完整性模拟仿真第14页/共56页布线前的信号完整性模拟仿真第15页/共56页布线前的电磁兼容性分析第16页/共56页布线前的串扰（Crosstalk）分析第17页/共56页布线后的串扰（Crosstalk）分析第18页/共56页布线后的信号完整性模拟仿真第19页/共56页布线后的串扰（Crosstalk）分析第20页/共56页2.2 PCB产生EMI的原因

4、第21页/共56页 电磁场基本方程组(Maxwell方程)高斯定律磁通连续性原理电磁感应定律全电流定律2.麦克斯韦(Maxwell)方程1.PCB 和天线第22页/共56页3.电流元与磁流元的关系及天线辐射特性 时变的电流通常以两种形式存在：磁场源-闭合回路（小电流环）电场源-偶极子天线（电偶极子或电流元）第23页/共56页EHLoop磁场源-闭合回路（小电流环）:近区场，kr1，E/H=Z第24页/共56页其中：I:为小电流环流过的电流，S:为小电流环的面积 :为辐射方向与Z 轴的夹角，r:为小电流环到辐射场的距离 :为电磁波的波长，K 为波数，Z 为波阻抗，真空中的介电常数 真空中的磁导率

5、第25页/共56页小电流环流过的电流I（可控制）源的辐射方向与测量点位置回路的尺寸S（可控制）小电流环到辐射场的距离 r电磁波的波长 ，或电磁波的频率f，频率越高，辐射越强（可控制）。波阻抗Z，与空间媒质有关，媒质不同，介电常数和磁导率则不同。回路产生的电场和磁场与六个因素有关：第26页/共56页近区场，kr1DipoleEH电场源-电偶极子或电流元第27页/共56页其中：I：为电偶极子流过的电流，dl：为电偶极子的长度 为辐射方向与Z 轴的夹角，r：为电偶极子到辐射场的距离 为电磁波的波长，K 为波数，Z 为波阻抗，同上。第28页/共56页电偶极子流过的电流I源的辐射方向与测量点位置 电偶极

6、子的长度 dl电偶极子到辐射场的距离 r电磁波的波长 ，或电磁波的频率f，频率越高，辐射越强。波阻抗Z，与空间媒质有关，媒质不同，介电常数和磁导率则不同。电流元产生的电场和磁场与六个因素有关：第29页/共56页Near FieldFar FieldDistance from Source(Normalized to )Wave Impedance第30页/共56页 从上述分析可以看出，小电流环和电偶极子辐射场既有电场也有磁场，这种电场与磁场的组合有称为坡印亭矢量 所以要消除和减少电磁辐射，就必须从以下几个方面入手：1.减少射频电流 I 的数量和幅度，2.减少电流回路的面积 S 以及的电偶极子的

7、长度 dl3.减少高频 f 分量，降低辐射 通常时变电流，或射频电流多由时钟以及数字信号的谐波分量产生，在电路设计或PCB 设计中可通过终端匹配，接地，屏蔽，旁路及取耦来达到。这些问题将在以后章节中进行讨论。第31页/共56页第32页/共56页电磁屏蔽分类第33页/共56页屏蔽的分类第34页/共56页屏蔽机理-典型泄漏结构及控制要素第35页/共56页4.PCB 中产生EMI的进一步说明RF电流RF电压RF能量辐射EMI电路元件PCB走线欧姆定律：Vrf=I rf x Z回路的完整性.EBEEBB第36页/共56页EAC or DC 电流回路具有接地回路的完整电路ERF电流回路RF回路上中断点不

8、良结构RF电流回路第37页/共56页2.3 共模电流和差模电流 第38页/共56页1.什么是共模电流？共模电流是RF 能量的组成部分，存在于信号通路和返回通路中，相位同相。如下图所示：(一)共模电流(CM-common-mode Current)共模电流:I total=I 1+I 2EEI1I2负载噪声源Z第39页/共56页2.共模信号是辐射的主要来源不包含任何有用信息没有任何有用目的导致系统，如PCB走线或电缆产生单极天线其中远场分量可些为 L 天线长度(m)f 频率（MHz）Icm 共模电流（A）R 距离（m）3.共模辐射第40页/共56页共模辐射共模辐射场第41页/共56页1.什么是差

9、模电流？差模电流是RF 能量的组成部分，存在于信号通路和返回通路中，相位反相。如下图所示：(二)差模电流(DM-Differential-mode Current)差模电流:I total=I 1-I 2EEI1I2负载噪声源Z第42页/共56页传送需要的信息不会产生干扰，因为产生相反的场并可相互抵消3.差模辐射2.差模信号小环形接收天线的RF能量可近似表示为 (V/m)A 环行天线面积()f 频率（Hz）Is 源电流（A）r 距离（m）第43页/共56页差模辐射差模辐射场第44页/共56页如果平行双线回路中存在差模电流，如图所示，平行双线回路在远场的辐射场强可用下式近似计算：其中：E为平行双

10、行回路产生的场强（V/m），Is为电流（A），A为环路面积（m2），r为发射回路与接收天线间的距离（m），为波长（m）。第45页/共56页 例：PCB板上有一对平行线，长l=5 cm，间隔s=0.1 cm，用于传输肖特基TTL数字信号，上升时间为2 ns，驱动电流为20 mA，计算距离PCB板3 m处的辐射场强。300/f（MHz）=1.87 m应考虑的最高频率为 解：第46页/共56页源负载信号线环路面积最大环路面积：由临界面积的闭合回路产生的最大场强：E:最大辐射场强（uV/m）,r:回路与测量天线间的距离（m）f:频率(MHz);Is:电流(mA)；A:环路面积第47页/共56页(三)共

11、模模式与差模模式比较第48页/共56页1.差分模式携带有用信号，而共模模式则相反2.共模电流比差模电流小的多3.较小的共模电流会产生强度很高的辐射4.共模电流是EMI 的主要来源，共模辐射很难抑制5.采用镜像面或保护线可抵消差模电流辐射，但不能完全消除第49页/共56页共模电流和差模电流也可以互相转变 Vcm=Icm x Za-Icm x Zb=Icm（Za-Zb）Za和Zb不是具体的电路元件，是网络中存在的寄生电容或寄生电感引起的转移阻抗。第50页/共56页2.4 通量消除的概念与方法 第51页/共56页(一)通量消除的概念PCB产生EMI的原因-时变的电流具体表现有以下六个方面：1.高频周

12、期信号的存在导致瞬时电流的产生并被引入电源面2.瞬时电流和返回路径的阻抗产生了RF电压 3.在源和负载之间，不完善和不平衡的RF电流返回路径产生了RF电压，随之产生了共模RF电流4.差的接地回路产生一个天线结构5.观察到的电磁辐射多由共模电流造成6.缺乏合适的RF电流返回参考面或走线也会加剧EMI 第52页/共56页(二)通量消除的基本方法1.电路设计选用边缘速率更低的逻辑系列器件对于I/O电缆，正确引用旁路电容器对特定高速网络加入共模扼流圈和数据线过滤器合理使用去耦电容第53页/共56页2.PCB 设计采用多层板，并适当分层和阻抗控制对多层板，将时钟走线靠近返回接地平面，对单面或双面板，将时钟走线靠近接地栅格，或一条地线，用地线包起来对时钟和信号线进行终端匹配设计3.其它设计将磁流量束缚在元件封装内部减小电源和接地平面结构中的噪音电压为辐射大量共模 RF能量的元件提供接地散热器第54页/共56页2.7 2.8 习 题第55页/共56页感谢您的观看！第56页/共56页