电磁兼容设计在印制电路板中的应用.docx

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电磁兼容设计在印制电路板中的应用

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电子工程师　

．８Ｎｏ１２０　２．　０２

电磁兼容设计在印制电路板中的应用　

Ａｐｉａｉｎｏ　ｐｌｃｔｏ　ｆＥＭＣ　ｓｇ　ｎＰＣＢ　Ｄｅｉｎｉ　北方交通大学电磁兼容实验室　（京１００）北０００　柴　瑜　沙　斐　

【摘

要】讲述了印制电路板的电磁兼容设计。

从元器件的布置到地线、电源线以爰信　

号线的设计，最后又介绍了多层板设计时的一些问题。

　关键词：

电磁兼窖，电磁骚扰，共模辐射，差模干扰　

【Ａｂｔａｔ［Ｔｈｓｐｐｒｉｔｏｕｅ　ｈ　ｌｃｒｍａｎｔｃｃｍｐｔｂｌｙｅｉｎｏ　ｈ　ｓｒｃ］ｉａｅ　ｎｒｄｃｓｔｅｅｅｔｏｇｅｉｏａｉｉｔ　ｄｓｇ　ｆｔｅ　　ｉ

ｐｉｔｄｃｒｕｔｂａｄｒｎｅ　ｉｃｉｏｒｓ，ｉｃｕｉｇｔｅａｒｎｅｎ　ｆｅｅｎｓｈ　ｅｉｎｏ　ｒｕｄｔａｅ　　ｎｌｄｎ　ｈ　ｒａｇｍｅｔｏ　ｌｍｅｔ，ｔｅｄｓｇ　ｆｇｏｎ　ｒｃ、ｍａｎｔａｅｎ　ｉｎｌｔａｅＡｔｌｓ．ｉｄｓｕｓｓｓｍｅｐｏｌｍｓｏ　ｉ　ｒｃ　ａｄｓｇａ　ｒｃ．　ａｔｔｉｃｓｅ　ｏ　ｒｂｅ　ｆｍｕ—ｙｒｒｎｅ　　ｈｉａｅ　ｐｉｔｄｌ：

ｒｕｔｂａｄ．ｉｃｉｏｒｓ　　

Ｋｅｗｏｒ：

ｌｃｒｍａｎｅｉ　ｏｐａｉｉｉｙ，ｅｅｔｏａｎｔｃｙｄｓｅｅｔｏｇｔｃｃｍｔｂｌｔｌｃｒｍｇｅｉ　ｄｉｔｒａｃｓｕｂｎｅ，ｃｍｍｏｎｏｅｏｍｄ　ｒｄｉｔｏｎ．ｄｉｆｒｎｔａ　ｏ　ｎｅｆｒｎｃ　ａａｉｆｅｅｉｌｍｄｅｉｔｒｅｅｅ

１０言　　ｌ

电磁兼容性是电子设备或系统的主要性能之　

一

２单、双层印制电路板的电磁兼容设计　

印制板上的电路虽然各式各样，就布线和设　但计而言总是有些共同的原则应该遵循。

在印制板布　

线时通常先确定元器件在板上的位置，后布置地　然线、源线，安排高速信号线，后考虑低速信号　电再最线，在分别加以讨论。

现　

，

电磁兼容设计是宴现设备或系统规定的功能、使　

系统教能得以充分发挥的重要保证。

必须在设备或　系统功能设计的同时，行电磁兼容设计。

磁兼容　进电设计的要求是使电子设备或系统满足电磁兼容标准　的规定、有两方面的能力：

１能在预期的电磁环　具（）

境中正常工作，性能降低或故障；２不会对其他　无（）系统或设备的正常工作产生影响．为其电磁环境　成

中的电磁污染源。

电磁兼容设计可分为系统内和系统间两部分，　主要是对系统之间及系统内部的电磁兼容性进行分　析、测、制和评估，现电磁兼容和最佳效费比　预控实

系统间电磁骚扰控制技术包括：

有用信号的控制、对　对人为骚扰的控制、自然骚扰源的控制。

统内电　对系

磁兼容设计包括：

制电路板的设计、源器件的选　印有

用、及电路板的布线、地、蔽及滤波。

文主要　以接屏本

讨论印制电路板的电磁兼容设计。

印制电路板是构　成数字电子设备的基础，证印制电路板的电磁兼　保容性是整个系统设计的关键，确地完成印制电路　正板的布线和设计应该使得；１板上的各部分电路相　（）互间无干扰，能正常工作；２印制板对外的传导　都（）发射和辐射发射尽可能降低，到有关标准要求；达　（）部传导干扰和辐射干扰对印制板上的电路基　３外本无影响。

主要讲述两大问题：

是单、层电路板　一双

的电磁兼容设计．是多层电路板的电磁兼容设计。

二　

２１元器件布置　．（）器件布置的首要问题是对元器件的分组。

１元　元器件可以按照所用的电源电压不同来分组，按　可照数字电路和模拟电路分组，也可按照高速低速、大　电流小电流等来分组。

这里建议首先以不同的直流　电源电压来分组。

如果使用同种电压的元器件中仍　有数字和模拟元件之分，可以再进行分组。

电源　则按电压、字及模拟电路分组后可进一步按速度快慢、数　电流大小进行分组。

分组的目的是为了按组对印制　板的空间进行分割，同组的元器件放在一起，便　将以在空间上保证各组元件不至产生组间的相互干扰。

　（）有连接器最好都放在印制电路板的一翻，２所　尽量避免从两侧引出电缆。

这样的做法是为了减少　产生共模辐射干扰的可能性　因为在板上有高速数　字信号时，如果印制板产生共摸辐射，则电缆是很好　的共模辐射天线，子天线会比单板天线产生更大　振的共模辐射干扰。

　（）高速数字集成芯片与连接器之间投有直　３当接的信号交换时，高速数字集成芯片应安捧在远离　连接器处。

图１ａ中，／驱动器被安捧得离连接　（）Ｉｏ器过远，高速数据集成芯片被安排得离连接器太　而

近，因此高速数字信号有可能通过电场耦合或磁场　

收藕日期：

０１１—０　２０—１９

５?

４　

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染　瑜，电黛摹容设计在印制电蓐板中的应用等：

耦合对输入输出环路产生差模干扰．通过电缆向并　外辐射。

如果高速数字集成芯片放在两个连接器之　间，图１ｂ所示．高速数字信号耦合到电缆上　如（）则去的可能性更大。

（）入输出（／）动器应该紧靠连接器，／４输Ｉ０驱Ｉ　

ｏ信号从连接器引入后应马上进入Ｉ０驱动器，／不　

要在印镧板上传输过长的距离，以免耦台上千扰信　号。

图１ｃ是图１ａ的改进，中Ｉ０驱动器被移　（）（）图／到连接器处，速数字集成芯片移至远离连接器处。

高　

（】ａ高速器件靠近连接器　

一　

佩宁　／Ｍ　

中，遗【低ｃ　

＼　

＿　

（高速器件在两个连接器件之间｝））　

困　

ｆ］ｃ高速器件靠近连接器　ｃ

线较粗．电感量也不能忽略，高频电流通过时仍有可　观的电压降，以一般都采用分地的方法。

些双面　所有印制板和多层印制板用一个面作为地线层，轨线　与电感相比面电感很小，这种情况下是否需要分地　在要根据情况决定，则是不相容电路的电流回路不　原要有公共部分。

该指出的是．地并不是把各种地　应分完全隔离、有任何电气连接，地詹各种地还应该　没分在适当位置连接起来，持整个地层的电连续性。

保　（）源线的布置　２电电源线布置应与地线结合起来考虑，便构成　以特性阻抗尽可能小的供电线路。

单面板和双面板的　供电线路是由印制板的轨线组成的．减小供电用　为轨线对的特性阻抗，源轨线和地轨线应该尽可能　电粗．且相互靠近，电环路面积应该减小到最低程　并供度，同电源的供电环路不要互相重叠。

如图２所　不示，面板的电源供电线采用上下重叠的布置方法，双　各个集成芯片的电源脚和地线脚连接到同一个电源　轨线对中，集成芯片旁边加了高频去耦电容，而　且从使供电环路减小，且各集成芯片的高频电流环路　并不会因相互重叠而产生磁场耦台。

但这种布置仍然　存在问题，果使用不同电源供电轨线对的集成芯　如片之间有信号传输，则数字信号的回流将绕较大的　圈子．趴而增大信号环路的面积。

决的方法是采用　解并字形网状结构的供电布置，３加了４条垂直放　图置的小型电源母线条，成了井字形网状结构。

外　构此图中各电源轨线对分别引到连接器端子上，不是　而在板上先汇合成一对然后再连到莲接器上，样处　这理使共阻抗耦合进一步减少　

图１高速器件与ｌＯ驱动器的安排　　／（）元器件安排时应考虑尽可能缩短高速信　５在号线的长度，如时钟线、据线、址线等　果高　例数地如速器件的信号线必须与连接器相连接，应考虑把　则高速器件放在连接器处，量缩短走线．后在稍远　尽然处安排中速器件，远处安排低速器件。

则如果高　最否速元件远离连接器，高速信号将穿过整块印制板　则才能到达连接器．将可能对沿途的中、速电路产　这低生干扰。

这条原则似乎与第（）愿则相矛盾，实　３条但际上目的只有一个，避免高速电路对低速电路的　即影响，是情况不同，取的方法不同而已。

只采　图２集成片与供电轨践对连接方法　　

２２地线和电源线的布置　．

（）置地线时首先考虑“地”１布分　分地即根据不同的电源电压、字和模拟、速　数高和低速、电流和小电流（们都是不相容的）分　大它来别设置地线．目的是为了防止共地线阻抗耦台干　其

圈３井字形同状供电结构　

２３信号线的布置　．（）１不相容的信号线应相互隔离　这样做的目的是避免相互之间产生耦台干扰。

高额与低频、电流与小电流、大数字与模拟信号线是　不相容的，件布置中我们已经考虑了把不相容元　元

‘善　５‘

扰。

单面印制板和有些两面板用轨线做地线．即使轨　

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电子工程师　

件放在印制板上不同的位置，信号线的布置上仍　在应该注意把它们隔离，般可采取下面的措施：

一　不相容信号线应相互远离，要平行，布在不　不分同层上的信号线走向应互相垂直，样可以减少线　这间的电场和磁场耦合干扰；速信号线特别是时钟　高线要尽可能的短，要时可在高速信号线两边加隔　必离地线，离地线两端应与地层相连接；号线的布　隔信置最好根据信号的流向安排，个电路的输出信号　一线不要再折回输人信号线区域，为输人线与输出因　线通常是不相容的。

　（）量减小信号环路的面积　２尽减小信号环路的面积，为了减小环路的差模　是电流辐射。

路辐射与电流强度和环路面积成正比，环　在电流强度确定的情况下，了减小环路辐射，有　为只设法减小环路面积。

号环路不应重叠，对于高速　信这度、电流的信号环路尤为重要，际上减小面积比　大实

．８Ｎｏ１２０　２．　０２

Ｃ＝Ａ?

ｎＸ＋，－　Ｃ７）Ａ２半　Ｃ（　）?

　ｒ　ｓ　下ｔ／ｓｎ／ｉｔ）ｉｒＴｎｏ『ｎ＝Ｔｒｃ

（）１　

式中，是数字脉冲宽度，是数字脉冲的上升时　　ｔ　

间，Ｔ是数字信号的重复周期。

根据这个结果，以可　把方波数字信号的印制板设计带宽定为ｌ　，通常　／，

要考虑这个带宽的十倍频。

缩短信号线长度更有效。

在单层和双层板上信号线　及其回流线应紧贴在一起布置，好是每条信号线　最都有自己的回流线，则容易产生信号环路的重叠。

否　前面已经讲过，单面板和双面板中布置地线时采　在用井字形网状结构，多层板中信号线不要跨越地　在层上的隔缝，目的都是为了减小信号环路面积。

其　

（）虑阻抗匹配问题　３考

当高速数字信号的传输延迟时间ｔｔ４时，　ｄ　＞／ｆ，为信号的脉冲上升时间，考虑阻抗匹配问题　于　应对ｆ一ｌｓ的数字信号，线长５ｍ就满足上述条件　　ｎ轨ｅ了。

在单面板和双面板上的轨线对的特性阻抗实际　

上很难控制，因为两条轨线要始终保持平行，宽度不　变，能保证特性阻抗不变。

果双面板有一面作地　才如层，或采用多层板，轨线与地层的特性阻抗对同一　则层上宽度和厚度相同的任何走向轨线都是相同的。

　般为４　１Ｏ这样就便于与集成芯片的输人或　０２ｎ．输出阻抗相匹配。

　（）人输出轨线在连接器端口处应加高频去　４输耦电容　通常ＩＯ信号的频率要低于时钟频率，以高　／所频去耦电容的选择应能保证ｉｏ信号正常传输，／而　滤除高频时钟频率及其谐波。

该高频去耦电容是为　了抑制差模干扰，括沿Ｉｏ线进人印制板和从印　包／制板出去的干扰，以该电容应接在ＩＯ线的信号　所／

一

线与地线之间。

３多层印崩电路板的电磁兼容设计　

在进行多层印制板设计时，先要考虑的是带　首宽。

数字电路电磁兼容设计中要考虑的是数字脉冲　的上升沿和下降沿所决定的带宽而不是数字电路脉　

多层电路板的电磁兼容分析可以基于克希霍夫　定律和法拉第电磁感应定律。

根据克希霍夫定律，任　何时域信号由源到负载的传输都必须有一个最低阻　抗的路径。

个原则完全适合高频辐射电流的情况，这　如果高频辐射电流不是经由设计中的回路到达目的　的负载，就一定是通过某个客观存在的回路到达的，　这一非正常回路中的一些器件就会遭受电磁骚扰。

　在数字电路设计中，们最容易忽略的是存在于器　人件、导线　印制板和插头上的寄生电感、电容和导纳。

　多层板设计要决定选用的多层板的层数。

多层板的　层间安排随着电路而变，有以下几条共同原则：

但　电源平面应紧靠接地平面，且安排在接地　并平面之下。

这样可以利用两金属平板间的电容做电　源的平滑电容，时接地平面还对电源平面上分布　同的辐射电流起到屏蔽作用。

　布线层应安排与整块金属平面相邻。

这样的　安排是为了产生通量对消作用。

　把数字电路和模拟电路分开，条件时将数　有字电路和模拟电路安排在不同层内，果一定要安　如排在同一层，采用开沟、接地线条、可加分割等方法　补救。

拟的和数字的地、源都要分开，能混用。

模电不　数字信号有很宽的频谱，产生骚扰的主要来源。

是　在中间层的印制线条形成平面波导，表面　在层形成微带线，者传输特性不同。

两　时钟电路和高频电路是主要的骚扰和辐射　源，定要单独安排　离敏感电路。

一远　不同层所含的杂散电流和高频辐射电流不　同，线时，能同等对待。

布不　多层印制板设计中有两个基本原则用来确定印　制线条间距和边距：

　?

２一原则　具体表述如下：

有的具有一定　０Ｈ所电压的印制板都会向空间辐射电磁能量，减小这　为个效应，印制板的物理尺寸都应该比最靠近的接地　板的物理尺寸小２Ｈ，中Ｈ是两层印制板的间　０其距。

在一定频率下，个金属板的边缘场会产生辐　两射。

减小一块金属板的边界尺寸使其比另一个接地　板小，射将减小。

当尺寸小至１Ｈ时，射强度开　辐Ｏ辐始下降，尺寸小至２Ｈ时，射强度下降７　。

当０辐０根　

?

?

?

?

冲的重复频率　矩形周期数字脉冲的傅立叶展开有　下面的形式　

据２一原则，照一般典型印制板尺寸．０一般　０Ｈ按２Ｈ为３ｍ。

ａｒ　?

２Ｗ原则当两条印制线间距比较小时，线　－两

之间会发生电磁申扰，申扰会使有关电路功艟失常。

５６?

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桀　暗，：

等电叠兼容设计在印制电蓐板中的应用　

为避免发生这种骚扰，保持任何线条间距不小于　应

两倍的印制线条宽度。

印制线条的宽度取决于线条　阻抗的要求，宽会减小布线的密度，加成本；太增太　窄会影响传输到终端的信号的波形和强度。

　３１地线的布置　．首先，建立分布参数的概念，于一