第六章 PCB的电磁兼容设计

线路板上的电磁兼容问题 线路板的辐射 外界电磁场对线路板的干扰 地线和电源线噪声 地线引起的公共阻抗耦合 走线之间的串扰 信号的反射（传输线效应）

线路板设计的实质 线路板的电磁兼容设计只是前面各种知识的实际应用： 地线的设计：避免公共阻抗、地环路 正确安装滤波器件：电容、电感的使用方法 合理布线，减小导线间的串扰 线路板上的屏蔽方法

走线是主要辐射源

地线和电源线上的噪声 VCC ICC R2 R4 R1 Q3 Q2 I驱动 Q1 被驱动电路 R3 Q4 I充电 Vg Ig I放电

电源线、地线噪声电压波形 输出 ICC VCC Ig Vg

地线干扰对电路的影响 1 3 寄生电容 2 4

线路板走线的电感 L = 0.002S(2.3lg ( 2S / W ) + 0.5 H I I M L = ( L1L2 - M2 ) / ( L1 + L2 - 2M ) 若：L1 = L2 L= ( L1 + M ) / 2

地线网格

电源线噪声的消除 电源线电感L, V =L(di/dt) 这个环路尽量小 储能电容

电源解耦电容的正确布置 尽量使电源线与地线靠近

解耦电容的选择 dI dt C = dV 各参数含义： 在时间dt内，电源线上出现了瞬间电流dI，dI导致了电源线上出现电压跌落dV。 Z f 1/2 LC

增强解耦效果的方法 电源 铁氧体 用铁氧体增加电源端阻抗 注意铁氧体安装的位置 地 粗线 细线 用细线增加电源端阻抗 接地线面

电源噪声去耦的实验电路 注意电容的接法

有效滤波的例子 普通电容（1） 三端电容（0.2） 三端电容 + 铁氧体 注意位置！

多个电容改善解耦效果

线路板的两种辐射机理 差模辐射 共模辐射 杆天线 电流环

实际电路的辐射 ~ ZC = ZG + ZL 环路面积 = A ZG I ZL V 近场：ZC  7.9 D f E = 7.96VA / D3 （V/m） ZC  7.9 D f ， E = 63 I A f / D2 （  V/m） H = 7.96IA / D3 （  A/m） 远场： E = 1.3 I A f 2 /D （  V/m）

常用的差模辐射预测公式 考虑地面反射时： E = 2.6 I A f 2 /D （  V/m）

脉冲信号差模辐射的频谱 EdB = 20lg（2.6 I A /D） +40lg f f 1/d 1/tr f 差模辐射频率特性线 频谱包络线 - 20dB/dec 40dB/dec - 40dB/dec f 1/d 1/tr f 20dB/dec E = 2.6 I A f 2 /D EdB = 20lg（2.6 I A /D） +40lg f 40dB/dec 脉冲的差模辐射包络线 f

不同逻辑电路为了满足EMI指标要求 所允许的环路面积 仅代表了一个环路的辐射情况，若有N个环路辐射，乘以  N 。因此，可能时，分散时钟频率。

如何减小差模辐射？ E = 2.6 I A f 2 / D 低通滤波器 布线

滤波改善辐射的效果 原线路板 加滤波器的情况

控制高频信号的回路

电路中的强辐射信号 dBV/m dBV/m 只有时钟电路加电工作 所有电路加电工作 1 10 100 1000 1 10 100 1000 1 10 100 1000 只有时钟电路加电工作 所有电路加电工作

地线对辐射的影响

信号回路与辐射的实验 改变这个回路的面积

电流回路面积与辐射的关系

电流回路面积与辐射的关系

单层或双层板如何减小环路的面积

不良布线举例 68HC11 E时钟 B 74HC00 A 连接A、B

随便设置的地线没有用 在线路板上没有布线的地方全部铺上地线是EMC设计吗？

附加地线可以改善辐射 原线路板 加额外的地线板

地线和滤波器的综合效果 原线路板 地线板和滤波器的综合效果

多层板能减小辐射 地线层 低频 高频 10 1 地线面具有很小的地线阻抗 DC~0.5 1 10 100 1G 信号1 电源层 信号2 地线面的阻抗，m/ 平方 地线面具有很小的地线阻抗 DC~0.5 1 10 100 1G

标准两层板的辐射

标准四层板的辐射

地线面上的缝隙的影响 L L : 0 ~ 10cm VAB : 15 ~ 75mV   75mm 模拟地 数字地 A B A/D变换器

过孔的阻抗 nH/cm PGA 128-pin 25 50 75 100 C/4 PGA 与过孔之间的距离 mm 1.5mm 100 10 0.1 25 50 75 100 C/4 PGA 与过孔之间的距离 mm

六层板的设计 注意方向 好 不好 好 不好 这种非典型布线具有最好的电磁兼容特性

八层板的设计 注意方向 较好 最好 差 很好 电源很好 很好

十层板的设计 很好 较好 很好 注意方向

信号线换层的问题 ？ 在同一层地线的两侧 在两层地线（或电源线和地线）的两侧

线路板边缘的一些问题 关键线（时钟、射频等） 产生较强辐射 无地线 电源层 地线层 20H

扁平电缆的使用 较好，但端接困难 最好 较好 差 地线 D C B A 扁平电缆 这两处都有地线 一部分信号回流经过ABCD

注意隐蔽的辐射环路 信号线+电源+地线 信号线 信号线 电源/地线 电源/地线 电源/地线 电源 电源

直流线的辐射 直流线也会产生射频辐射 线 路 板 3 线 路 板 2 线 路 板 1

地线也辐射 你喜欢 电缆屏蔽层接地吗 ? 不接地线 接上地线

地线辐射产生的原因 电源线电感 地线噪声 电源回路 信号回路

减小共模电压

改善地线减小共模电压

减小空间感应的共模电压

两个措施同时采取

滤波器滤除高频成份

滤波器电容量的选择 R源 R负载 低速接口 10 ~ 100kB/s 高速接口 2MB/s 低速CMOS TTL 上升时间 tr 电容合适 R源 R负载 电容过大 低速接口 10 ~ 100kB/s 高速接口 2MB/s 低速CMOS TTL 上升时间 tr 0.5~1s 50ns 100ns 10ns 带宽 BW 320kHz 6MHz 3.2MHz 32MHz 总阻抗 R 120 100 300 100~150 最大电容 C 2400pF 150pF 100pF 30pF

平衡接口电路 +Vcc Z0/2 +V -V Z0/2 -Vcc

I/O接口布线的一些要点 隔离变压器/光耦隔离器 滤波电容 电源线连接 地线连接 信号滤波器 干净区域 时钟电路、高速电路 桥 壕沟

时钟信号远离电缆接口

线路板上的局部屏蔽 片状电容 利用一层铜箔做屏蔽盒面 所有穿出屏蔽盒的导线经过滤波 屏蔽盒的接地间隔 <  / 20

数字电路

设计不良的线路板

线路板的超标辐射

线路板屏蔽

屏蔽线路板的辐射

电缆上的共模电流

地线上的噪声

改进的线路板

改进的线路板的辐射

改进的线路板电缆辐射