邵小桃-电磁兼容和PCB设计-Chp2

电磁兼容与PCB设计第 2 章PCB 中的电磁兼容本章内容• PCB 设计概念PCB产生EMI的原因• PCB•共模和差模电流•通量消除的概念与方法2.1 PCB 设计概念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制造工艺和构成元素（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3. 高速PCB设计中的问题时序问题传输线效应信号沿时间下降信号沿时间接近0.5ns4. 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（3）终端匹配技术（4）阻抗控制技术（5）设计空间探测技术设计原理原理图仿真PCB设计passSI PI EMCpassPCB性能测试PCB制版ENDN N YY5.国内外PCB 设计常用工具•Mentor Graphics （eg eg. . . BlazeRouter BlazeRouter BlazeRouter Ver Ver 5.0.1 5.0.1）•Cadence (Cadence (eg eg eg. Concept HDL 5.2, allegro ). Concept HDL 5.2, allegro ) （高速PCB 设计与仿真工具SPECCTRAQuest ）•Power PCB•UltraCAD•Lattice•Protel Protel / / / Protel Protel Protel SESE •HyperLynxHyperLynx HyperLynx 软件介绍HyperLynx HyperLynx 软件介绍布线前的信号完整性模拟仿真布线前的信号完整性模拟仿真布线前的电磁兼容性分析布线前的串扰（Crosstalk）分析布线后的串扰（Crosstalk）分析布线后的信号完整性模拟仿真布线后的串扰（Crosstalk）分析2.2PCB产生EMI的原因电磁场基本方程组电磁场基本方程组 (Maxwell 方程方程))∫=⋅=⋅∇sq d S D D ρ高斯定律0d 0s =⋅=⋅∇∫S B B 磁通连续性原理S B l E B E d t d tl S ⋅∂∂−=⋅∂∂−=×∇∫∫电磁感应定律S D J l H D J H d )t(d t l s ⋅∂∂+=⋅∂∂+=×∇∫∫全电流定律2. 麦克斯韦 (Maxwell ) 方程1. PCB 和天线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）E HLoop磁场源-闭合回路（小电流环）:近区场，kr<<1,磁场占主要成分，低阻抗场。

远区场, kr>>1，E/H=Zjkr e rIS H −−=θλπθsin 2jkr e rIS Z E −=θλπϕsin 2其中：I:I: 为小电流环流过的电流， S:S: 为小电流环的面积 : : 为辐射方向与Z 轴的夹角，r: r: 为小电流环到辐射场的距离 :为电磁波的波长， K K 为波数，Z 为波阻抗， 真空中的介电常数 真空中的磁导率λθf c =λπεµ12000==Z m H /10470−×=πµm F /10854.8120−Χ=ελπ2=k•小电流环流过的电流小电流环流过的电流I I （可控制）•源的辐射方向与测量点位置•回路的尺寸回路的尺寸S S （可控制）•小电流环到辐射场的距离小电流环到辐射场的距离 r •电磁波的波长电磁波的波长 ，或电磁波的频率，或电磁波的频率，或电磁波的频率f f ，频率越高， 辐射越强辐射越强（可控制） 。

•波阻抗波阻抗Z Z ，与，与空间媒质有关，媒质不同，空间媒质有关，媒质不同， 介电常数和磁导率则不同。

θλ回路产生的电场和磁场与六个因素有关：jkr e r Idl j H −=θλϕsin 2jkr e rIdl jZ E −=θλθsin 2近区场，kr<<1,电场占主要成分，为高阻抗场。

远区场, kr>>1DipoleEH 电场源-电偶极子或电流元其中：II ： 为电偶极子流过的电流， dldl ： 为电偶极子的长度 为辐射方向与Z 轴的夹角，rr ：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。

λθfc =λλπ2=k•电偶极子流过的电流电偶极子流过的电流I I •源的辐射方向与测量点位置源的辐射方向与测量点位置 •电偶极子的长度电偶极子的长度 dl •电偶极子到辐射场的距离电偶极子到辐射场的距离 r •电磁波的波长电磁波的波长 ，或电磁波的频率，或电磁波的频率，或电磁波的频率f f ，频率越高， 辐射越强。

辐射越强。

•波阻抗波阻抗Z Z ，与，与空间媒质有关，媒质不同，空间媒质有关，媒质不同， 介电常数和磁导率则不同。

介电常数和磁导率则不同。

θλ电流元电流元产生的电场和磁场与六个因素有关：产生的电场和磁场与六个因素有关：Near Field Far FieldDistance from Source(Normalized to )πλ2/WaveImpedance r Z rH r E /1/1,/123∝∝∝rZ r E r H ∝∝∝23/1,/1Ω377/1,/1=∝∝Z rH r E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设计中可通过PCB 设计中可通过的谐波分量产生，在电路设计或PCB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。

电磁屏蔽分类屏蔽的分类屏蔽机理-典型泄漏结构及控制要素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： V rf =I rf x Z•回路的完整性…..E B E E B BEAC or DC 电流回路具有接地回路的完整电路E RF电流回路RF回路上中断点不良结构RF电流回路2.3共模电流和差模电流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)共模电流共模电流:: I total = I 1 + I 2E E I 1I 2负载噪声源Z2. 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 Icm共模电流 （A ） R 距离（m ）RL f I E cm /)(××=3.共模辐射共模辐射共模辐射场1.什么是差模电流？差模电流是差模电流是差模电流是RF RF RF 能量的组成部分，存在于信号通路和能量的组成部分，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) 差模电流差模电流:: I total = I 1 - I 2E E I 1I 2负载噪声源Z•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 ）)/1()(10263216r I A f E s ×××××=−2m差模辐射差模辐射场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 ：I rEsl )/(12022m V r AI E S λπ=其中：E 为平行双行回路产生的场强（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 ），λ为波长（m ）。

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2ns ，驱动电流为20 20 mAmA ，计算距离PCB 板3 m 处的辐射场强。

max 1160MHz rf t π=≈λ＝300 / [f （MHz ）]=1.87 m22120112.8mV/m 41dBmV/m S AI E r πλ==≈应考虑的最高频率为2=r t 解：源负载信号线环路面积最大环路面积：SI f rE A 2380=由临界面积的闭合回路产生的最大场强：rI Af E S 3802=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 mA) ) ；A:环路面积2cm(三) 共模模式与差模模式比较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。