LAYOUT规范电气安规EMC.docx

LAYOUT规范电气安规EMC.docx

《LAYOUT规范电气安规EMC.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LAYOUT规范电气安规EMC.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

LAYOUT规范电气安规EMC

PCBLAYOUT规范

拟制：

刘军民/吴健伟

日期：

2006-04-18

审核：

日期：

批准：

日期：

变更记录

**00版之前的版次以0A,0B,0C…表示，00版后之版次以00A,00B,00C…表示**

项次

版次

变更内容

制定

制定日期

审核

生效日期

1

0A

初稿

刘军民/吴健伟

2006-04-12

目录及索引

目的及内容：

从安全规范/电磁兼容/电气三方面阐述PCB设计中须遵循的基本规范或原则，以确保PCB布线原则上的合理性。

1安规

1.1定义：

1）一次侧电路：

直接与外部电网电源连接的，或者直接与其它供给电力的等效电源（例如电动发电机、电池等）连接的内部电路。

该电路包括变压器、电动机、其它负载装置的初级绕组，以及与电网电源连接的各种装置。

2）二次侧电路：

不与一次侧电源直接连接的，而是由位于设备内的变压器、变换器或等效装置供电的一种电路。

3）安全特低电压电路（SELVcircuit）：

作了适当的设计和保护的二次侧电路，使得在正常条件下和单一故障条件下，它的电压值均不会超过安全值（交流峰值不超过42.4V或直流值不超过60V的电压）如RS232线路。

使用加强绝缘与危险电压进行隔离

4）ELV（特低电压）电路ELV：

在正常工作条件下，在电路的任意两个导体之间或任一导体与地之间电压的交流峰值不超过42.4V或直流值不超过60V的二次电路；使用基本绝缘与危险电压进行隔离。

5）沿面距离：

沿绝缘表面测得的两个导电零部件之间或导电零部件与设备界面之间的最短距离，又称爬电距离。

6）空间距离：

在两个导电零部件之间或导电零部件与设备界面之间测得的最短空间距离，又称电气间隙。

7）工作绝缘：

设备正常工作所需的绝缘。

8）基本绝缘：

对电击提供基本保护的绝缘。

9）加强绝缘：

一种单一的绝缘结构，其所提供的防电击的保护等级相当于附加绝缘。

10）附加绝缘：

除基本绝缘以外施加的独立的绝缘，用以减小在基本绝缘一旦失效时仍能防止电击。

11）绝缘工作电压：

当设备在其额定电压下并在正常使用的条件下工作时，所考虑的绝缘上所承受到的或能够承受的最高电压。

1.2安规通则：

注：

如下为GB4943-2001（等同IEC60950-1）在此上的规定，仅作参考，具体情况须取得LAYOUT、安规及客户的三方共识。

不同污染等级所要求的最小电气间隙和爬电距离适用范围不同。

一般认为，UPS设备属污染等级2范围，依从GB4943-2001（等同IEC60950-1）之条款，原则上应以此作为下限选择，但实际情况应以客户认可的规定为准。

⑴一次侧内部线路间作工作绝缘

。

（按1.3.1沿面距离表一和1.3.2空间距离表一的参数表格）

⑵二次侧内部线路间作工作绝缘

。

（按1.3.1沿面距离表一和1.3.2空间距离表二的参数表格）

⑶一次侧线路与安全特低电压电路间作加强绝缘。

（按1.3.1沿面距离表二和1.3.2空间距离表一的参数表格）

⑷一次侧线路与二次侧线路（安全特低电压电路除外）间作基本绝缘。

（按1.3.1沿面距离表二和1.3.2空间距离表一的参数表格）

⑸保护地线与一次侧线路间作基本绝缘，保护地线与二次侧线路（安全特低电压电路除外）间作基本绝缘。

（按1.3.1沿面距离表二和1.3.2空间距离表一的参数表格）

⑹保护地线与安全特低电压电路间作工作绝缘

。

（按1.3.1沿面距离表一和1.3.2空间距离表一的参数表格）

⑺如板面限制而无法满足沿面距离时，应以开槽的方式改善，槽宽最小为1mm。

⑻对峰值电压超过电源电压峰值的一次电路的绝缘的需要附加间隙

（按1.3.3附加间隙的表一参数表格）

注意：

确定基本绝缘和加强绝缘时，其绝缘工作电压应该取输入电源和线路实际工作电压的大者。

1.3沿面距离、空间距离与附加距离

焊盘间的安规间距既要符合沿面距离的要求，又要符合空间距离的要求。

1.3.1沿面距离：

表一最小沿面距离（适用于工作绝缘

）

绝缘工作电压小于和等于V有效值或直流值（Vrms）

最小沿面距离（毫米）

30

0.25

50

0.50

105

1.00

158

1.50

220

2.00

270

2.50

360

3.00

450

3.50

535

4.00

600

4.50

700

5.00

800

5.75

900

6.5

表二最小沿面距离（适用于基本绝缘、工作绝缘

、加强绝缘）

绝缘工作电压小于和等于V有效值或直流值

（V有效值）

最小沿面距离（毫米）

基本绝缘和工作绝缘

加强绝缘

50

1.2

2.4

100

1.4

2.8

125

1.5

3.0

150

1.6

3.2

200

2.0

4.0

250

2.5

5.0

300

3.2

6.4

400

4.0

8.0

600

6.3

12.6

1000

10.0

20.0

1.3.2空间距离：

表一最小空间距离（适用于一次侧电路间、一次侧与二次侧电路间）

绝缘工作电压

小于和等于

最小空间距离（毫米）

额定电源电压≤150V

额定电源电压>150V≤300V

额定电源电压

>300V≤600V

V峰值或直流值

V

V有效值（正弦）

V

工作

绝缘

基本

绝缘

加强

绝缘

工作

绝缘

基本

绝缘

加强

绝缘

工作

绝缘

基本

绝缘

加强

绝缘

71

50

0.4

1.0

2.0

1.0

2.0

4.0

2.0

3.2

6.4

210

150

0.5

1.0

2.0

1.4

2.0

4.0

2.0

3.2

6.4

420

300

1.5

2.0

4.0

1.5

2.0

4.0

2.5

3.2

6.4

840

600

3.0

3.2

6.4

3.0

3.2

6.4

3.0

3.2

6.4

1400

1000

4.2

4.2

6.4

4.2

4.2

6.4

4.2

4.2

6.4

表二最小空间距离（适用于二次侧电路间）

绝缘工作电压

小于和等于

最小空间距离（毫米）

额定电源电压

≤150V

额定电源电压

>150V≤300V

额定电源电压

>300V≤600V

V峰值或

直流值V

V有效值（正弦）

V

工作

绝缘

基本

绝缘

工作

绝缘

基本

绝缘

工作

绝缘

基本

绝缘

71

50

0.4

0.7

0.7

1.0

1.7

2.0

140

100

0.6

0.7

0.7

1.0

1.7

2.0

210

150

0.6

0.9

0.7

1.0

1.7

2.0

280

200

1.1

1.4

1.1

1.4

1.7

2.0

420

300

1.6

1.9

1.6

1.9

1.7

2.0

700

500

2.5

2.5

2.5

2.5

2.5

2.5

840

600

3.2

3.2

3.2

3.2

3.2

3.2

1400

1000

4.2

4.2

4.2

4.2

4.2

4.2

1.3.3附加距离

表一对峰值电压超过电源电压峰值的一次电路的绝缘的附加间隙

注意：

1.按以上表格参数，当所查绝缘工作电压值对应的最小空间距离数值大于对应的最小沿面距离数值时，最小空间距离数值应以最小沿面距离数值作为考量值。

2.在PCBLAYOUT时要注意，一次侧和二次侧之间如要采用加强绝缘，LAYOUT时须注意除了两侧间TRACE的间距外，两侧元器件之间也要求达到加强绝缘所要求的最小空间距离。

1.3.4MGE间距要求

如下附件是其依从IEC60950-1在其UPS上所规定的详细（供参考）

错误！

链接无效。

2EMC及电气

2.1定义：

①EMC（ElectroMagneticCompatibility）：

电磁兼容性，指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

②EMI（ElectromagneticInterference）：

电磁干扰，指装置或系统正常工作过程中出现的不利于功能的信号，可能来自外界，也可能来自自身。

③单点接地：

所有单元电路的地线都有连接到系统地的一个节点上。

又分为并联单点接地及串联单点接地。

④单点接地：

各单元电路的地线直接连接到系统地或地平面上，有多个节点。

⑤脏点区域：

电路中dv/dt或di/dt较大而容易对其周围电路或空间产生干扰的区域。

2.2Layout之EMC及电气原则：

首先需要对所选用元器件及各种插座的规格、尺寸、面积等有完全的了解；对各部件的位置安排作合理、仔细的考虑；清楚了解电路各部分参数--包括各环路电流，线路电压、频率等；对电磁场兼容性、抗干扰性、电源、地的路径、去耦及安全规格的硬性规定等方面进行详细考虑。

下面主要为LAYOUT在EMC及电气上基本规范。

2.2.1空间布局基本原则

2.2.1.1机构设计考量

包括PCB尺寸大小，高度等的限制，PCB固定位置，含有插座的PCB的位置等。

确认PCB的机构限制条件,作为PCBlayout及元器件选择和设计的标准以完成PCB的外形轮廓。

2.2.1.2热流设计考量

*热性能参数与风流位置基本关系：

耐热性及热性能差的器件（如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容及参数温漂教大的器件等）置于冷却气流的上游（入口处）；耐热性及热性能好的器件（如功率晶体管、大规模集成电路等）放在冷却气流下游；耐热性及热性能相当者，发热大或散热性差的元器件设计在冷却气流的上游，反之置于下游处。

*热源均衡原则：

均衡布局，适当分散排列高发热元件以改善PCB半成品的散热性。

*散热通畅原则：

在需要散热之处须确保空气的流畅性。

*温度独立原则：

需要保持温度独立性如热敏电阻等器件须与无关的发热或散热器件保持适当距离，并与其所感应器件保持良好接触及最小温差。

*热敏感器件布置原则：

电解电容及因温度会引起关键参数较大变化（包括寿命参数）的元器件，须远离大发热源并注意其有效散热性。

*PCB的散热：

PCB板的散热主要依靠空气流动，而空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动，故在PCBLayout上配置器件时，要避免在某个区域留有较大的空域；用导热系数大的材料（如铜板，铝板）作散热板，或适当增加PCB表面积（如提高铜箔利用率，和PCB镀锡面加散热锡条）使PCB上高发热元件产生的热量向PCB的表面扩散，以消除局部过热，改善PCB的散热能力；如因为PCB厚度方向的导热系数比表面的导热系数小得多，可以在PCB上设计导热孔（一般直径为1.0mm～0.4mm，孔壁镀铜），使发热元件产生的热量沿PCB的厚度方向散发,IC的正下方可以设计多个导热孔。

2.2.2平面布局及走线基本原则

*平面布局原则：

以电流回路面积最小化及独立性为基本原则。

按功能模块/电路级别/工作频率分开，间隔距离以干扰源强度和受扰源敏感度为主要考量依据。

配合空间布局就近走线。

避免回路相互跨越（光偶/变压隔离及差分信号可不作为回流路径）。

在多层板的层布局，应尽量用填满的地线层和电源层把数字信号层隔开。

一般地，内层分别用做电源层、地线层：

以降低供电线路的阻抗，抑制公共阻抗噪声；对信号线形成均匀的接地面；加大信号线和接地面间的分布电容，抑制其向空间辐射的能力。

*方向原则：

从焊接面看，元件的排列次序尽可能保持与原理图相一致。

*参数清晰原则：

清楚了解电路各部分参数--包括各环路电流、电压、频率等。

提供于Layout部进行布线的原理图纸，在需注意的高频/高压/大电流/高敏感的原理图地方进行相关参数标识，必须包括有：

所有功率变换电路的功率路经电压电流标识；脏点区域的电流电压峰值及dv/dt、di/dt值标识；驱动支路的敏感标识；取样反馈放大支路的敏感标识。

*宽度原则：

地线宽>电源线宽>信号线宽。

根据线路载流量确定宽度尺寸，TRACE宽度与电流承载量的关系图见本节后附图。

（目前在使用的TRACE线宽主要有0.2mm、0.25mm、0.33mm、0.5mm、0.76mm、1.02mm、1.52mm、1.78mm、2.03mm、2.28mm、2.54mm）。

在设计中根据使用环境、铜箔温度及负载作适当选择。

尽量保持路径宽度的一致性（改变路径宽度会对路径阻抗产生改变，从而能产生反射和造成线路阻抗不平衡）。

（载流量与宽度关系表格插入）

*间距原则：

以大间距为基本原则。

根据最大电压承受力确定间距，以安规为下限（参考安规部分）。

*走线原则：

以近、短、简为基本。

信号线应少拐弯少用外接跨线，改变方向时应走斜线并取半径大者，不可产生锐角。

避免走线交叉，对于不可避免的交叉线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决（即让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去，或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去）。

在电路复杂情况下，可斟酌用导线跨接或过孔以解决交叉电路问题并同时简化设计。

模拟信号避免长距离平行走线数字信号与模拟信号如须混合，走线互相以90度交叉，以减少交叉耦合影响。

*强电流线路原则：

公共地线、功率电源引线、功率电路等大电流走线应尽可能宽大，以降低路径电阻及其电压降，减小寄生耦合而产生的自激。

*差分信号原则：

差分信号走线应遵循基本原则“等长、等距”和“尽量靠近”原则。

*接地原则：

以阻抗最小化及回路独立为基本原则。

同一级电路的接地点应尽量靠近，本级电路的电源滤波电容亦须接于该级地点上。

模拟放大部分应注意因接地阻抗引入之干扰（例如晶体管基极、发射极过长的接地点引起干扰与自激）。

低频回路在信号源端单点接地，高频电路考虑采用多点接地（电路尺寸大于0.15*工作波长）。

控制部分的地系统与功率变换部分地系统保持单点接地。

总地线须严格按高频－中频－低频一级级地按弱电到强电的顺序排列原则，切不可随便翻来复去乱接，级与级间宁肯可接线长点，也要遵守这一规定。

高频电路考虑采用大面积包围式地线，以保证有良好的屏蔽效果。

*电路隔离化：

依据回路独立及最小化的原则，适当考虑引入如光耦及变压器等器件或电路模式对各回路进行隔离，以限制电流绕行路径之长度。

这可令一些电路得到回路的简单化和独立化。

*滤波器布置：

滤波器的前后走线不得重叠或交叉，以避免干扰源跨越滤波器干扰到滤波后的线路。

*功率开关器件布置：

开关及整流器件须靠近电感器或变压器件放置，连接导线须短而粗。

*空间飞线放置：

外接的电缆（输入、输出、电池线、通讯线等）在内部路经尽量短，不同类型信号导线分组捆扎，组间保持适当距离并远离强干扰源（如：

CPU、脏点区域）

附图：

TRACE宽度与电流承载量的关系图

2.2.3常用功率变换电路之EMC基本原则

2.2.3.1FLY-BACK电路架构：

FLY-BACK电路框架

1-3K机型FLY-BACK电路LAYOUT示范

①功率电流路径原则：

初级：

BulkCap变压器功率开关BulkCap/次级：

变压器整流二极管输出电容变压器两极回路应粗短化；输入输出电容直接于此两路径。

②图示两个回路面积最小化；控制回路与功率回路相互独立并保持适当距离，PWM驱动信号源及驱动电阻应靠近被驱动之开关管。

③脏点区域（变压器功率开关/变压器整流二极管）最短化，伸展面积最小化。

此部分区域须远离小信号敏感路径。

④依VinCinTX，DCoutVout的顺序放置Cin、Cout，并确保电流全部经过此两电容再到后边电路。

⑤充电器输出到电池正、负极的走线粗短。

⑥功率开关的clamp电路须紧靠变压器，snubber电路须紧靠功率开关，且两回路面积最小化。

2.2.3.2PUSH-PULL电路架构：

PUSH-PULL框架

1-3K机型PUSH-PULL电路LAYOUT示范

1变压器一次侧的两个回路保持对称以保证两部分的阻抗一致，避免阻抗差造成的磁不平衡性。

2功率电流路径原则：

初级：

电池正变压器功率开关电池负/次级：

变压器整流桥变压器/整流桥BUS电容整流桥三个路经应粗短化。

3图示三个回路面积最小化，走线粗短；控制回路与功率回路相互独立保持适当距离；PWM驱动信号源及驱动电阻应靠近被驱动之开关管。

4脏点区域（变压器功率开关/变压器整流桥）最短化，伸展面积最小化。

此部分区域须远离小信号敏感路径。

5依BAT+Cin+TXMOSFETCin–BAT–的顺序放置Cin及BUS电容，并确保电流全部经过此两电容再到后边电路。

6功率开关的clamp/snubber电路须紧靠被保护的开关，走线粗短且回路面积最小化。

2.2.3.3逆变半桥电路架构

半桥电路架构

1-3K机型半桥逆变电路LAYOUT示范

①功率电流路径原则：

BUS电容功率开关输出电感输出电容的路经应粗短化。

②图示两个回路面积最小化，走线粗短；控制回路与功率回路相互独立保持适当距离；PWM驱动信号源及驱动电阻应靠近被驱动之开关管。

③脏点区域（功率开关输出电感）最短化，伸展面积最小化。

此部分区域须远离小信号敏感路径。

④依BUS电容功率开关输出电感输出电容BUS电容的顺序布置BUS电容及输出电容，并确保电流全部经过此两电容再到后边电路。

⑤功率开关的Clamp/Snubber电路须紧靠被保护的开关，走线粗短且回路面积最小化。

2.2.3.4PFC电路架构

PFC电路框图

1-3K机型PFC电路LAYOUT示范

1功率电流路径原则：

输入Boost电感整流桥功率开关电流感应器整流桥输入地/Boost电感整流二极管BUS电容输入两路经应粗短化；BUS电容直接接于输出路径上。

2图示三个回路面积最小化且走线粗短；控制回路与功率回路相互独立保持适当距离；PWM驱动信号源及驱动电阻应靠近被驱动之开关管。

3脏点区域（Boost电感整流桥功率开关/Boost电感整流二极管）粗短，伸展面积最小化。

此部分区域须远离小信号敏感路径。

4流经整流二极管的+BUS、-BUS电流须先经过BUS电容的两端，再送到逆变器。

5功率开关的clamp/snubber电路须紧靠被保护的开关，走线粗短且回路面积最小化。

2.2.4控制电路之EMC基本原则

控制部分电路属于模拟小电流信号敏感区，故在布局及走线时须特别注意其被干扰影响的可能性。

布局：

各功能及各频率范围模块电路分开独立放置；远离高电压大电流路径及大辐射区域，例如dv/dt、di/dt较大的地方；将回路面积最小化以减少电感性耦合。

走线：

线路的高频阻抗特性及电感电容效应在这里更为明显。

故须尽量缩短线线长，加大线距。

地线：

地线阻抗及各回路间在其上的相互干扰对这部分的影响结果很严重。

须与大电流的功率回路地分开

一些具体细节：

①数字电路与模拟电路之间应该保留相当间距，DSP、MCU电路必须严格区分数字地、模拟地以及数字电源和模拟电源。

②IC的电源与地线平行进入，电源的去耦与滤波电容靠近IC放置，各IC的地线应从电源滤波电容处并联单点接地（即进行回路独立化，减少各回路间在地线上的相互干扰）。

③晶振到IC的引线尽可能短，晶振部分地线以最短走线单点接至IC接地脚，该部分回路面积最小化；

④敏感信号（复位信号/取样信号/开关驱动信号/晶振电路/高速通信电路）布线须远离功率变换器等大功率高噪声电路。

6常用驱动IC及其周边元件、去耦电容LAYOUT时接地顺序（依如下简图所示）：

●UC3842/3/4/5

●UC3525A

2.2.5MCU电路之EMC基本原则

MCU部分电路是高频信号集聚区，应注意以下一些具体细节

①MCU电源的旁路和去耦电容要放置在电源进来的一边而且要靠近MCU。

②MCU的地线须粗短；在没有参考电源和地平面的情况下，地线与电源线平行进入MCU。

③晶振电路部分的地要以最短的走线单点接到MCU的接地PIN的地，地线须粗且回路面积最小化。

④对于具有相同频率、相同功能的同一组数据线、地址线、信号线，同一组布线需要保持一致（宽度、长度、线间距等）。

⑤未被使用的MCU管脚，亦必须依该接脚之功能经上下拉电阻接Vcc或Ground，不可以将该接脚浮接，避免因信号干扰而发生不可预期之现象。

3PCB各要素物理特性及电气性能

3.1布线的电气参数

电阻：

由铜箔材质电阻率、长度及横截面积决定。

其一般正比于电阻率及长度，而反比于横截面积，即R=ρ*（L/S）（S为铜箔横截面积,L为铜箔长度,ρ为电阻率）。

电容：

布线的电容主要由绝缘体介电常数、电流到达的范围面积及走线的间距共同决定。

其一般正比于介电常数及电流到达的范围面积，而反比于走线的间距。

即C∝EoErA/h（其中Eo为自由空间介电常数，Er为PCB基体介电常数，A为电流到达范围的面积，h为走线的间距）。

电感：

布线的电感平均分布在布线中，其正比于走线的长度。

3.2各要素物理特性

过孔：

多层印刷电路板中常用到过孔，中其会产生nH级的电感和pF级的电容到路径上。

密集洞及过孔：

密集洞及过孔会令电源及地位面在靠近此地方产生局部化的阻抗差异。

供电面在这点是高阻状态，各回路信号在此区域上较活跃。

故在进行回路分析时应特别留意回路信号在此区域上被其它回路的信号干扰。

切分孔隙：

在铜箔中的切分孔隙（即长洞或宽通道）会令电源及地位面在靠近此地方产生局部化的阻抗差异，局部性地递增电源位面和地位位面的阻抗。

与上一物理要素类似，回路分析时亦应留意信号间的相互干扰。

短截线:

其会产生反射，同时具有发射及接受干扰的天线特性。

虽然短截线长度不一定是系统信号四分之一波长的整数倍，但附带的辐射可能在截线上产生共鸣。

金属化模具：

散热片等大的金属区域有较大的寄生电容特性，且能充当辐射天线。

器件引脚（端）：

引脚型器件在每个引脚上都会的产生一寄生电感及电容。

寄生电感其与引脚长度基本成比，约为每毫米nH级；寄生电容约为每引脚pF级。

贴片型产生的寄生电感及电容则分别略小于引脚型。

4PCBLAYOUT中硬件工程师的工作开展

虽然PCBLAYOUT由LAYOUT工程师实现，但硬件工程师在PCBLAYOUT工作展开初期的全局性把握将对PCBLAYOU的整体合理性和后续工作打下良好基础。

而在整个PCBLAYOUT具体实现过程中的积极参与及配合将会帮助LAYOUT工程师正确实