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第五章 PCB的电磁兼容设计
脉冲信号的频谱
谐波幅度
tr
d
（电压或电流）
A
源自文库
-20dB/dec
T
-40dB/dec
V( or I) = 2A(d+tr)/T V( or I) = 0.64A/Tf V( or I) = 0.2A/Ttrf2
1/d
1/tr
频率（对数）
地线和电源线上的噪声
R1
R2
R4
Q3
地
细线
粗线
接地线面
用铁氧体增加 电源端阻抗
用细线增加电 源端阻抗
线路板的两种辐射机理
差模辐射 共模辐射
电流环
杆天线
电流环路产生的辐射
近场区内: H = IA / (4D3) E = Z0IA / (2D2) ZW = Z0（2D/）
A/m V/m
远场区内: H = IA / ( 2D) E = Z0 IA / ( 2D) ZW = Z0 = 377
A/m V/m
A I
随频率、距离增加而增加 Z0
f、D
导线的辐射
近场区内: H = I L / (4D2)
A/m
E = Z0I L / (8 2 D3) V/m
ZW = Z0（/2D）
I
L
远场区内: H = I L / (2 D) E = Z0 I L / (2 D)
A/m V/m
随频率、距离增加而减小
5.5 2.2 0.75
0 .2 5
5.5 2.2 0.75
0 .2 5
2 0.8 3
0 .1 5
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
布线
低通滤波器
电路中的强辐射信号
dBV/m
dBV/m
VdBV
传输阻抗：ZT = V / I
怎样减小共模辐射
E = 1.26 I L f / D
共模滤波 共模扼流圈 减小共模电压
使用尽量 短的电缆
共模滤波
电缆屏蔽
平衡接口电路
+Vcc
+V -V
-Vcc
Z0/2
Z0/2
增加共模回路的阻抗
PCB
PCB
共模回路
改善量 = 20lg(E1 / E2) = 20lg ( ICM1 / ICM2 )
电源层
地线层 20H
无地线
扁平电缆的使用
最好
较好
差
较好，但端接困难
地线
C
D
这两处都有地线
B
A
扁平电缆
一部分信号回流经过ABCD
外拖电缆的共模辐射
L
I1
I2 H
CP
I3
VCM
CP
机箱内的 所有信号 都会通过 电缆辐射！
两端设备都接地的情况
RW L
～
RW L
CP
ICM
ZCM = RW + jL+RL+1/ jC
= 20lg[(VCM / ZCM1) / (VCM / ZCM2)]
=20 lg ( ZCM2 / ZCM1)
=20 lg ( 1+ ZL / ZCM1 )
dB
I/O接口布线的一些要点
滤波电容 电源线连接
隔离变压器/ 光耦隔离器
地线连接
信号滤波器 干净区域
时钟电路、 高速电路
桥 壕沟
滤波器电容量的选择
Z0
f、D
实际电路的辐射
ZG
I
~V
ZL
ZC = ZG + ZL
环路面积 = A
近场：ZC 7.9 D f E = 7.96VA / D3 ZC 7.9 D f ， E = 63 I A f / D2 H = 7.96IA / D3
远场：
E = 1.3 I A f 2 /D
（V/m） （ V/m） （ A/m）
信号1 电源层
地线层
信号2
低频 高频
10
地线面的阻抗，m/ 平方 1
地线面具有很小的地线阻抗
DC~0.5 1
10
100
1G
地线面上的缝隙的影响
75mm
模拟地
A/D变换器
数字地
A
B
L
25mm
L : 0 ~ 10cm VAB : 15 ~ 75mV
线路板边缘的一些问题
关键线（时钟、射频等）
产生较强辐射
地线网格
电源线噪声的消除
电源线电感
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
Z
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。
1/2 LC
f
增强解耦效果的方法
铁氧体
电源
注意铁氧体安装的位置
（ 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
差模辐射频率特性线
频谱包络线
f
E = 2.6 I A f 2 /D EdB = 20lg（2.6 I A /D）
+40lg f
f
1/d
1/tr
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
1
10
100
1000
所有电路加电工作
1
10
100
1000
只有时钟电路加电工作
电流回路的阻抗
I
L
R
~
Z = R + jL
L=/I A
~
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？
多层板能减小辐射
R源 R负载
电容合适 电容过大
上升时间 tr 带宽 BW 总阻抗 R 最大电容 C
低速接口 10 ~ 100kB/s
0.5~1s 320kHz 120 2400pF
高速接口 2MB/s
50ns 6MHz 100 150pF
ICC
VCC
Q2 Q1
R3
Q4
Ig
Vg I放电
I驱动
被
驱
动
I充电
电
路
电源线、地线噪声电压波形
输出 ICC VCC Ig Vg
地线干扰
1
3
寄生电容
2
4
线路板走线的电感
S L = 0.002S(2.3lg ( 2S / W ) + 0.5 H
W
I
I
M
L = ( L1L2 - M2 ) / ( L1 + L2 - 2M ) 若：L1 = L2 L= ( L1 + M ) / 2
悬浮电缆
ICM 电缆长度：L
近场区内:
E = 1430I L / (f D3)
远场区内:
E = 0.63 I L f / D
考虑地面反射： E = 1.26 I L f / D
L /2或/4时： E = 120I / D
V/m V/m V/m
V/m
共模电流的测量
ICM
电流卡钳
频谱分析仪
被测电流 I
逻辑 系列 4000B
74HC 74LS 74AC 74F 74AS
上升 电流 时间
40 6
6 20 6 50 3.5 80 3 80 1.4 120
不 同 时 钟 频 率 允 许 的 面 积 （ cm2 ） 4M Hz 10 30 100
1000 400
50 45 18
6
20 18 7.2
2 .4
脉冲信号的频谱
谐波幅度
tr
d
（电压或电流）
A
源自文库
-20dB/dec
T
-40dB/dec
V( or I) = 2A(d+tr)/T V( or I) = 0.64A/Tf V( or I) = 0.2A/Ttrf2
1/d
1/tr
频率（对数）
地线和电源线上的噪声
R1
R2
R4
Q3
地
细线
粗线
接地线面
用铁氧体增加 电源端阻抗
用细线增加电 源端阻抗
线路板的两种辐射机理
差模辐射 共模辐射
电流环
杆天线
电流环路产生的辐射
近场区内: H = IA / (4D3) E = Z0IA / (2D2) ZW = Z0（2D/）
A/m V/m
远场区内: H = IA / ( 2D) E = Z0 IA / ( 2D) ZW = Z0 = 377
A/m V/m
A I
随频率、距离增加而增加 Z0
f、D
导线的辐射
近场区内: H = I L / (4D2)
A/m
E = Z0I L / (8 2 D3) V/m
ZW = Z0（/2D）
I
L
远场区内: H = I L / (2 D) E = Z0 I L / (2 D)
A/m V/m
随频率、距离增加而减小
5.5 2.2 0.75
0 .2 5
5.5 2.2 0.75
0 .2 5
2 0.8 3
0 .1 5
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
布线
低通滤波器
电路中的强辐射信号
dBV/m
dBV/m
VdBV
传输阻抗：ZT = V / I
怎样减小共模辐射
E = 1.26 I L f / D
共模滤波 共模扼流圈 减小共模电压
使用尽量 短的电缆
共模滤波
电缆屏蔽
平衡接口电路
+Vcc
+V -V
-Vcc
Z0/2
Z0/2
增加共模回路的阻抗
PCB
PCB
共模回路
改善量 = 20lg(E1 / E2) = 20lg ( ICM1 / ICM2 )
电源层
地线层 20H
无地线
扁平电缆的使用
最好
较好
差
较好，但端接困难
地线
C
D
这两处都有地线
B
A
扁平电缆
一部分信号回流经过ABCD
外拖电缆的共模辐射
L
I1
I2 H
CP
I3
VCM
CP
机箱内的 所有信号 都会通过 电缆辐射！
两端设备都接地的情况
RW L
～
RW L
CP
ICM
ZCM = RW + jL+RL+1/ jC
= 20lg[(VCM / ZCM1) / (VCM / ZCM2)]
=20 lg ( ZCM2 / ZCM1)
=20 lg ( 1+ ZL / ZCM1 )
dB
I/O接口布线的一些要点
滤波电容 电源线连接
隔离变压器/ 光耦隔离器
地线连接
信号滤波器 干净区域
时钟电路、 高速电路
桥 壕沟
滤波器电容量的选择
Z0
f、D
实际电路的辐射
ZG
I
~V
ZL
ZC = ZG + ZL
环路面积 = A
近场：ZC 7.9 D f E = 7.96VA / D3 ZC 7.9 D f ， E = 63 I A f / D2 H = 7.96IA / D3
远场：
E = 1.3 I A f 2 /D
（V/m） （ V/m） （ A/m）
信号1 电源层
地线层
信号2
低频 高频
10
地线面的阻抗，m/ 平方 1
地线面具有很小的地线阻抗
DC~0.5 1
10
100
1G
地线面上的缝隙的影响
75mm
模拟地
A/D变换器
数字地
A
B
L
25mm
L : 0 ~ 10cm VAB : 15 ~ 75mV
线路板边缘的一些问题
关键线（时钟、射频等）
产生较强辐射
地线网格
电源线噪声的消除
电源线电感
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
Z
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。
1/2 LC
f
增强解耦效果的方法
铁氧体
电源
注意铁氧体安装的位置
（ 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
差模辐射频率特性线
频谱包络线
f
E = 2.6 I A f 2 /D EdB = 20lg（2.6 I A /D）
+40lg f
f
1/d
1/tr
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
1
10
100
1000
所有电路加电工作
1
10
100
1000
只有时钟电路加电工作
电流回路的阻抗
I
L
R
~
Z = R + jL
L=/I A
~
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？
多层板能减小辐射
R源 R负载
电容合适 电容过大
上升时间 tr 带宽 BW 总阻抗 R 最大电容 C
低速接口 10 ~ 100kB/s
0.5~1s 320kHz 120 2400pF
高速接口 2MB/s
50ns 6MHz 100 150pF
ICC
VCC
Q2 Q1
R3
Q4
Ig
Vg I放电
I驱动
被
驱
动
I充电
电
路
电源线、地线噪声电压波形
输出 ICC VCC Ig Vg
地线干扰
1
3
寄生电容
2
4
线路板走线的电感
S L = 0.002S(2.3lg ( 2S / W ) + 0.5 H
W
I
I
M
L = ( L1L2 - M2 ) / ( L1 + L2 - 2M ) 若：L1 = L2 L= ( L1 + M ) / 2
悬浮电缆
ICM 电缆长度：L
近场区内:
E = 1430I L / (f D3)
远场区内:
E = 0.63 I L f / D
考虑地面反射： E = 1.26 I L f / D
L /2或/4时： E = 120I / D
V/m V/m V/m
V/m
共模电流的测量
ICM
电流卡钳
频谱分析仪
被测电流 I
逻辑 系列 4000B
74HC 74LS 74AC 74F 74AS
上升 电流 时间
40 6
6 20 6 50 3.5 80 3 80 1.4 120
不 同 时 钟 频 率 允 许 的 面 积 （ cm2 ） 4M Hz 10 30 100
1000 400
50 45 18
6
20 18 7.2
2 .4