电磁兼容设计在印制电路板中的应用
电子电路PCB的散热分析与设计
电子电路PCB的散热分析与设计随着科技的不断发展,电子设备已经成为了我们生活中不可或缺的一部分。
然而,在电子设备运行过程中,由于电路板上的元器件会产生大量的热能,如果散热不良,会导致设备性能下降、可靠性降低甚至出现安全问题。
因此,针对电子电路PCB的散热分析与设计至关重要。
本文将结合实际案例,对电子电路PCB的散热问题进行分析和讨论。
电路板的热阻:热阻是表示热量传递难易程度的物理量,值越小表示热量传递越容易。
电路板的热阻主要包括元器件的热阻和电路板本身的热阻,其中元器件的热阻受到其功耗、结点温度等因素的影响。
自然对流:自然对流是指空气在温度差的作用下产生的流动现象。
在电子设备中,自然对流可将热量从电路板表面传递到周围环境中,从而降低电路板温度。
然而,自然对流的散热效果受到空气流动速度、环境温度等因素的影响。
强迫通风:强迫通风是通过风扇等装置强制空气流动,以增强电子设备的散热能力。
强迫通风的散热效果主要取决于风扇的功率、风量等因素。
选择合适的导热材料:导热材料具有将热量从高温区域传导到低温区域的能力,常用的导热材料包括金属、陶瓷、石墨烯等。
在电路板设计中,应根据元器件的功耗和结点温度等因素,选择合适的导热材料。
提高电路板表面的散热能力:提高电路板表面的散热能力可以有效降低电路板的温度。
常用的方法包括增加电路板表面积、加装散热片、使用热管等。
合理安排元器件的布局:元器件的布局对电路板的散热效果有着重要影响。
在布局时,应尽量将高功耗元器件放置在电路板的边缘或中心位置,以方便热量迅速散出。
同时,应避免将高功耗元器件过于集中,以防止局部温度过高。
增强自然对流:自然对流是电路板散热的重要途径之一。
在电路板设计中,应尽量减少对自然对流的阻碍,如避免使用过高的结构、保持电路板表面的平整度等。
可在电路板下方或周围增加通风口或风扇等装置,以增强自然对流的散热效果。
采用强迫通风:强迫通风可以显著提高电子设备的散热能力。
印制电路板布线注意事项
印制电路板布线注意事项印制电路板布线注意事项目前电子器材用于各类电子设备和系统仍然以印制电路板为主要装配方式。
实践证明,即使电路原理图设计正确,印制电路板设计不当,也会对电子设备的可靠性产生不利影响。
例如,如果印制板两条细平行线靠得很近,则会形成信号波形的延迟,在传输线的终端形成反射噪声。
因此,在设计印制电路板的时候,应注意采用正确的方法。
一、地线设计在电子设备中,接地是控制干扰的重要方法。
如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可解决大部分干扰问题。
电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。
在地线设计中应注意以下几点:1.正确选择单点接地与多点接地在低频电路中,信号的工作频率小于1MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用一点接地。
当信号工作频率大于10MHz时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。
当工作频率在1~10MHz时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的1/20,否则应采用多点接地法。
2.将数字电路与模拟电路分开电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。
要尽量加大线性电路的接地面积。
3.尽量加粗接地线若接地线很细,接地电位则随电流的变化而变化,致使电子设备的定时信号电平不稳,抗噪声性能变坏。
因此应将接地线尽量加粗,使它能通过三位于印制电路板的允许电流。
如有可能,接地线的宽度应大于3mm。
4.将接地线构成闭环路设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时,将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。
其原因在于:印制电路板上有很多集成电路元件,尤其遇有耗电多的元件时,因受接地线粗细的限制,会在地结上产生较大的电位差,引起抗噪声能力下降,若将接地结构成环路,则会缩小电位差值,提高电子设备的抗噪声能力。
二、电磁兼容性设计电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。
精品课件电磁兼容性设计ppt课件
无论是集成电路、PCB板还是整个系统,大部分噪声都与时钟频率及其 高次谐波有关。
合理的地线、适当的去耦电容和旁路电容能减小时钟辐射。
用于时钟分配的高阻抗缓冲器也有助于减小时钟信号的反射和振荡。
TTL和CMOS器件混合逻辑电路会产生时钟、有用信号和电源的谐波,因 此,最好使用同系列的逻辑器件。
铁氧体磁珠或串联电阻) -降低负载电容,以使靠近输出端的集电极开路驱动器而便于上拉,电阻值
尽量大 -处理器散热片与芯片之间经导热材料隔离,并在处理器周围多点射频接地 -电源的高质量射频旁路(解耦)在每个电源管脚都是重要的 -高质量电源监视电路需对电源中断、跌落、浪涌和瞬态干扰有抵抗能力 -需要一只高质量的“看门狗” -决不能在“看门狗”或电源监视电路上使用可编程器件 -电源监视电路及“看门狗”也需适当的电路和软件技术,以使它们可以适
模拟器件也需要为电源提供高质量的射频旁路和低频旁路。
对每个运放、比较器或数据转换器的每个模拟电源引脚的RC或LC滤波都 是必要的。
对模拟电路而言,模拟本振和IF频率一般都有较大的泄漏,所以需要着 重屏蔽和滤波。
02:33
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2.3 逻辑电路设计
对高频数字电路布局时应作到有关的逻辑元件应相互靠近,易产 生干扰的器件(如时钟发生器)或发热器件应远离其他集成电路。
应大多数的不测情况 -当逻辑信号沿的上升/下降时间比信号在PCB走线中传输一个来回的时间短时,
应采用传输线技术
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在逻辑电路中,数字信号的传输线的处理也相当重要。
当电路在高速运行时,在源和目的间的阻抗匹配非常重要。
否则过量的射频能量将会引起电磁兼容性问题。
电子设备板及电磁兼容设计与实践
元器 件 布局 需要 按 照一 定 的标准 进 行分 类 ,不 同类 型 的元器 件 需要 分开 管理 , 保障 每个 元器 件 之 间不会 发 生相 互 的物 理干 扰 。 对 于 重量 大 于2 0 k g 的元 器件 , 需要用 适 当的 支架 固 定住 ,然 后焊 接 上牢 靠 。如 果有 大型 重量 以及 发 热量 高 的特殊 元 器件 ,不 能够 直 接装 在 印制 板上 , 而是 需要 装在 整 个机 体 的 底 板 之上 ,同时 对 于散 热采 取适 当 的措施 , 远 离其 他一 般 元器 件 J 。而对 于 可调 元 器件 例 如 可变 电容器 、微 型 开关 、 电位器 以及可
础条件。
【 关键词】电子设备板 ;电磁兼容 ;设计与实践
1 . 电子 设 备板 及 电磁兼 容设 计 的总 体布
局
1 . 1 局 上 ,首 先 需 要 考 虑P C B 尺 寸 的 大 小 问题 ,不 宜过 长 也 不 宜 长 短 。一般 P C B 尺 寸长 宽 比例保 持 3 : 2 左 右 即 可 。当 出现 电路 板尺 寸大 于2 1 0 m m X 1 6 0 m m 时, 必 须要 考 虑到 电路 板在 工 作 中的机 械 强度 。 其 次 需要 区置 噪 声源 、模 拟 电路 以及 数字 电 路 ,划分 高、低频率 ,注重器件 的强弱信号 问 题 。此外 ,在各 功能不同的 电路核 心元件 上, 需要保持方 向的 同一性 ,排 列紧密整体 “ 。相 互 之 间容 易产 生干 扰 的元 器件 不 能放 在相 邻 的位置 ,避 免信 号 的耦合 。最后 需要 拉 大具 有 高 电位 元器 件 之 间的距 离 ,消 除 因为放 点 而 引发短 路 、失 火等 等 不 良后果 。对 于 高压 的元器 件 需要 放置 在 不容 易触 及 的地 方 , 同 时用绝缘 物质加 以隔绝 。
印制板极电磁兼容性设计
电磁骚 扰 的能力 。它有 以下 三方 面 的含义 :
件 ,也 是在 产 品 电磁兼 容设 计 中容 易忽 略的 部件 ,由于
很少 把 印制 板 的 电特性 设计 到 电路 r s: ab m e lt y wo d lu n pae;ln p cn i es a ig; magn d sg r i ein; rsac n gou d n ei ;by asc p ct r t o u a a io e er h o r n i g d sg n p s a a io ; O lt sc p ct r
EM C De i n o sg fPCB Po e l
WANG We一l n i,o i
( i yn a e— kn ahn t. io agLann 1 0 La agP p r maigM c ieLd, a yn i ig 1 0,Chn ) o L o 10 ia
路) .所 以整 个效 应 对 电路 功 能 可 能是 有 害 的。若 印制
电路 板设 计得 当 ,将具 有减 小骚 扰 的优点 。
( )电磁环 境应 是 给定 的或可 预期 的 。 1
( )设 备 、分 系统 或系 统不 应产 生 超过 标准 或规 范 2
题 。另一方 面 ,恶劣 的 电磁 环 境还 会对 人类 及 生态 产生 : 定 设 备 、系统 能否 正 常运 转 、工作 的关键 ;④ 恶 劣 的 电
不 良的影响 。本文 阐述 了电磁兼 容 性设 计 的 目的及 重要 } 磁 环境 会 对人 类及 生 态产 生不 良的影 响 。 因此 ,电磁 兼
PCB的板级电磁兼容问题
PCB的板级电磁兼容问题一、(芯片)(集成电路)现状现阶段,(电子)系统正向高速化和高密度化飞跃发展。
在电子系统的设计过程中,系统的体积越来越小,IC引脚(in(te)grated circuit,集成电路)却越来越多,因此(PCB)(Printed Circuit Board,印制电路板)上的元件与布线越来越密集;与此同时,(信号)的(时钟)频率越来越大,并且信号上升沿越来越陡峭。
这些因素都导致了电磁环境的日益复杂,设备之间以及设备内部因互感和互容引发的种种(电磁兼容)问题已不容忽视。
这一问题在现今的强辐射源与高功率(微波)系统中也显得日益突出。
如在某高功率微波系统中,需要在限定的体积和尺寸下,采用(FPGA)芯片实现对多路(电机)的并行控制,就需要设计高速高密度的PCB。
本文就研究该情况下PCB的板级电磁兼容问题,主要包括信号完整性(Signal Integrity, SI)和(电源)完整性(PowerIntegrity,PD问题。
二、信号完整性及电源完整性问题信号完整性概括地说,是指信号在信号线上传输质量的好坏。
在(数字电路)中,体现在信号能在电路中能以正确的电压、带宽和时序做出响应。
若在PCB中,信号可以以正确的电压大小、带宽和时序都到达接收端,就能说明该PCB具有较好的信号完整性。
如果不能,则说明PCB中岀现了严重的信号完整性问题。
在高速高密度的数字电路中,信号完整性问题大致表现在一下几个方面:振铃、过冲、欠冲和时延等。
为了正确读取数据并对数据进行处理,数据在集成电路中需要在时钟边沿的前后处于稳定状态。
这个时间段内,如果信号不稳定或者发生状态的改变,集成电路就可能误判甚至发生丢失部分数据的情况,影响信号的正常传输。
如图1所示,若岀现振铃、上冲或下冲等信号完整性问题,就会影响数据的正常传输,从而影响PCB的正常工作,也可以从眼图直观判断信号传输的好坏,如图2图1PCB中信号完整性问题的表现图2 表征信号完整性问题的眼图信号完整性问题既会导致信号明显的失真和时序混乱,也会造成数据的错误,从而造成系统出错甚至瘫痪。
印制电路板的设计及电磁兼容问题
在整个研发印制电路板的工作中,最重要的也是第一个要进行的工作就是明确设计框架,画出原理图。
通常情况下,设计人员都会选择AltiumDesigner软件来开展描画和设计工作,大部分的元器件都能够在该软件的样本中找到,有少部分不在图库里面,需要设计者自己勾绘制作出来。
当绘制完成整个原理图形之后,再经过严密的检查和测试,一旦发现其中的失误或者错误的地方必须及时修正。
在确保设计出来原理图没有任何问题之后,再按照这个设计图研发印制电路板。
AltiumDesigner这个软件能够使得原理图转换为PCB图,可是这个软件的自动程度还是有限度的,布线效果往往不能使人满意,所以必须通过设计自己进行布线工作。
同时,设计印制电路板时,必须重点考虑的一个问题就是电磁兼容问题,设计出合适的技术方案。
恰当的安置各个不同元器件的位置,精确布置安排各个走线,可以最大程度的避免电子干扰现象的频繁出现[2]。
2 PCB中的电磁干扰解析印制电路板运行过程中会经常受到各种各样的电磁干扰问题,其中受到的干扰大致分成两类。
一类来源于印刷电路板自身,由于挨着比较近的线路之间会发生寄生耦合现象,而信号的整个运输线路就会受到干扰[3]。
另一类就是串扰问题。
串扰顾名思义就是比较的混乱,即不同信号线之间进行能量的随意转换,由互感或者互容而引起各种噪音。
其中,互感和互容属于产生串扰问题的重要原因。
3 印制电路板设计的抗干扰方法■3.1 选用合适的印制电路板研生产材料印制板的选材是非常重要的,目前国际通用的为环氧树分析各种材料的特征,选用合适的原材料[4]。
■3.2 科学布置印制电路板的叠层印制板的层排列也是有原则的,合理的排列各层对印制板的抗干扰能力十分有益。
第一,将电源平面与地平面相邻,这样可以形成耦合电容,并与电路板上的去耦电容一起降低电源平面的阻抗,同时获得较宽的滤波效果;第二,参考面的选择应优选地平面电源;第三,相邻层的关键信号不跨分割区;第四,相邻层走线时,最好是形成垂直。
印刷电路板的电磁兼容设计
电磁兼容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的任何事物构成不能承受的电
磁干扰的能力. 电磁兼容性设计 的目的是使 电子设备既能抑制各种外来的干扰 , 使电子设备在特定 的电 磁环境 中能够正常工作 , 又能减少电子设备本身对其 它电子设备的电磁干扰. 随着电子设备的灵敏度越 来越高 , 接受微弱信号的能力越来越强 , 电子产品频带越来越宽, 尺寸越来越小 , 电子设备抗干扰能 要求 力越来越强. 一些电子设备工作时所产生的电磁波 , 容易对周围的其它 电子设备形成电磁干扰 , 引发故 障或者影响信号 的传输. 另外 , 过度的电磁干扰会形成 电磁污染 , 危害人们 的身体健康 , 破坏生态环境. 文章就印刷 电路板( C ) P B 设计 中电磁兼容的几种关键技术进行分析.
收稿 日期 :0 6— 5— 5 20 0 2
作者简介: 吴荣海(99 , 助教, 17 一) 男, 福建龙岩人 , 现从事电子与通信教学与研究
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第4 期
吴荣海等: 印刷电路板的电磁兼容设计
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扰问题 . 电子产品中地线结构大致有系统地 、 机壳地、 数字地和模拟地等. 在地线设计 中应注意以下几点:
时可部分串联后再并联接地 . 高频电路宜采用多点串联接地 , 地线应短而粗 , 高频元件周 围尽量用栅格 状大面积地箔. 要尽量加大线性电路 的接地面积.
1 电源的设计
电子设备的电源广泛地同其它功能单元相连 , 一方面 电源中产生的无用信号会很容易地耦合到各 功能单元中去 , 另一方面 , 一个单元中的无用信号可能通过 电源 的公共阻抗耦合到其它单元去. 因此 , 在
军工电子设备电磁兼容性的试验标准和达标技术
军工电子设备电磁兼容性的试验标准和达标技术关键词:GJBI51A-97标准;电磁兼容性;电磁干扰;受测试设备;屏蔽;滤波0 引言近20年来,军工电子设备对于电磁工作环境的兼容性能日益受到重视。
EMC (Electro Magnetic Compatibility)不仅与温度、湿度、振动等并列成为考核军工设备环境适应能力的重要指标,而且对某些军工电子设备来讲,电磁兼容性更是提到了所有各种环境要求中最重要的位置。
这是因为现代军工装备的电子化程度大幅度提高后,军工电子设备的功率谱和频率谱不断向高端和低端两个方向延伸,军工电子设备在海、陆、空各种平台上的安装密集度也大幅增加,导致各电子设备相互之间的电磁干扰(EMI,Electro-Magnetic Interference)问题越来越突出。
因此,要求军工电子设备必须具有规定的电磁兼容能力已成为从事设备设计、生产、使用有关各方的共识。
为了考核军工电子设备的EMC性能,几乎所有的军工电子设备都要求必须通过国家军用标准规定的电磁兼容性试验测试.因此,近年来有关军工电子设备电磁兼容性的试验标准和达标技术受到了前所未有的关注.与其他环境条件的考核要求不同,“电磁兼容性”的检验不仅要考核设备对电磁环境的适应能力,还要考核该设备的存在是否会造成不利于容纳其他设备正常工作的电磁环境.因此,电磁兼容性试验是双向性的试验,受测试设备(EUT,equipment under test)必须在承受外部电磁干扰和不对外产生电磁干扰两方面同时达标才算合格。
又因为电磁信号能够通过电路传导和空间辐射两种途径产生效应,所以,为使军工电子设备能够在电磁兼容性试验中达标,必须在设备的电子电气系统和机械结构系统两方面协调采取措施。
这些因素决定了电磁兼容性试验相对其他的例行环境试验来说更为复杂,达标也更不容易。
对从事军工电子设备电磁兼容性设计和试验的人员来说,除了要掌握与设备有关的专业知识和必不可少的电磁学、电子学、电工学方面的基础知识以及有关材料科学和结构设计方面的知识外,还必须熟悉有关电磁兼容性试验的军用标准,并尽可能详细地了解各项试验的物理含义及对试验测试的要求等方面的内容。
多导联心电监护系统电磁兼容的印制电路板设计
多导联心电监护系统电磁兼容的印制电路板设计舒磊;王亚驰;张金宏;张金玲;王海娜【摘要】In this paper, the multi-lead ECG monitoring system of ECM is researched and analyzed from the perspectives of printed circuit board (PCB) component layout and wiring. And the finished system can get a good real-time performance of ECG signal. Under the environment in daily life, through the real-time monitoring test of the designed ECG system, the PCB in the bare state can detect stable ECG signal. The test results show that the system has a good electromagnetic compatibility and practical application.%本文对多导联心电监护系统从印制电路板(PCB)的器件布局、布线等方面来进行了电磁兼容性研究和设计,设计完成的多导联心电监护系统能够获得实时的性能良好的心电信号。
在日常生活环境下,对所设计的心电信号系统进行了实时监护测试,电路板在裸露状态下可以检测到稳定的心电信号。
此测试结果表明该系统具有良好的电磁兼容性和实际应用意义。
【期刊名称】《环境技术》【年(卷),期】2014(000)0z1【总页数】4页(P67-70)【关键词】电磁兼容;PCB器件布局;PCB布线【作者】舒磊;王亚驰;张金宏;张金玲;王海娜【作者单位】北京邮电大学电子工程学院,北京 100876;北京邮电大学电子工程学院,北京 100876;内蒙古赤峰克旗蒙中医院内科,赤峰 024000;北京邮电大学电子工程学院,北京 100876;河南农业职业学院,郑州 451450【正文语种】中文【中图分类】TN41医学电气设备的电磁兼容(EMC)性好坏直接关系到设备的性能和人类的生命安全。
PCB电磁兼容技术——实践设计
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概述
Xi’an Action Electronics Co., Ltd.
电磁兼容(EMC:Electromagnetic Compatibility) 电磁兼容是一门新兴的综合性学科,主要研究电磁干扰和抗
干扰的问题,即研究在同一电磁环境下工作的各种电气电子系统、 分系统、设备和元器件如何正常工作、互不干扰,进而达到兼容 的状态。
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电容的选择
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去耦电容的放置
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实际电容器的特性
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实际电感的应用选择
实际电感的工作频段选择
实际电感的应用选择必须同时兼顾较小的电感量波动 (△L)与较高的品质因素Q,右图阴影区为工作选择频段,其 右侧 L变化剧增,而其左侧则Q值偏小。 什么是Q值?
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电容的选择
z 有一个惯例就是并行使用两个去耦电容。这种做法可以减少更 大频宽的由电源引起的开关噪声。在抑制由有源器件开关时产 生的射频电流方面,多个并行去耦电容可以提升6dB的作用。多 个去耦电容不只是提供一个更大频宽的分配,它们还可以提供 更大的引线宽度来降低导线电感,更大的提升去耦作用。两个 并行电容的取值应当不同,相差两个数量级左右,比如说0.1uF 和0.001uF 的两个并行去耦电容, 来获得更好的去耦效应。
3.2 印制电路板的设计制作方法
3.2.1 印制电路板的设计及要注意的问题
(3)高频数字电路PCB设计中的布局与布线 为了避免高频信号通过印制导线时产生的电磁辐射, 在布线时,应注意以下几点: 1)按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使 布局便于信号流通,并使信号方向尽可能保持一致, 高频数字信号线要用短线。 2)以每个功能电路的核心组件为中心,围绕它来进行 布局,时钟发生电路应在板中心附近,主要信号线最 好集中在PCB板中心。 3)在高频下工作的电路,要考虑元器件之间的分布参 数。
现代电子技术工程设计与实践
3.2.2 印刷电路板的制作方法
(3)打孔:拓图后,对照板与草图检查焊盘与导线是 否有遗漏,然后在板上定位打出焊盘孔。 (4)调漆:在描图之前应先把所用的漆调配好。通常 可以用稀料调配调和漆,也可以将虫胶漆片溶解在酒 精中,并配入一些甲基紫(使颜色清晰)。要注意稀 稠适宜,以免描不上或流淌,画焊盘的漆应比画线用 的稍稠一些。 (5)描漆图:按照拓好的图形,用漆描好焊盘及导线。 应先描焊盘,要用比焊盘外径稍细的硬导线或木棍蘸 漆点画,注意与钻好的孔同心,大小尽量均匀。然后 用鸭嘴笔与直尺描绘导线,直尺两端应垫起,双面板 应把两面的图形同时描好。
现代电子技术工程设计与实践
3.2.1 印制电路板的设计及要注意的问题
电路1 电路2 电路3 电路4 电路1 电路2 电路3 电路4 电路5 电路6
(a)
(b)
图3-3 单点接地方式示意图
现代电子技术工程设计与实践
3.2.2 印刷电路板的制作方法
印刷电路板的制作方法主要有:漆图法、 感光板法、热转印法、贴图法、雕刻法、 丝网印刷法等。 由于实验设备条件的不同,为满足教学 需要,本书只介绍前三种在实验室常用 的方法
电磁兼容技术在印制电路板设计中的应用
( ) 放其余线 条 ,但是要 记住承载 5布
R 频 段 能 量 多的 线 条 需 要 采 取 通 量 最 小 F 化 ,同时要注意确保 RF回流路径始终可 为在多层板设计中, 可以设置专门的电源 j 层和地层 ,使信号 线与地线之间的距离仅 1 用 。 2 1 3 印制 电路 板 双 面 板 及 多 层 板 . . 为印制 电路板的 层间距离 。这样 ,板上所
从而避免形成较大的信号环路 , 降低产生较
回路控 制的条件 ( 是避 免产生磁场和 } 强辐射和敏感 度等 问题 。 而这 () 3高频 、高速、时钟等关键信号有~ 环路天线所必须的)等原因。此外 , 单面 j
中国科技信息 2 1 年 第 2 期 00 O
C IA S I C N EH OO Y I O M TO c. 1 HN CE EA D TC N LG N R A I Ot 00 N F N 2
时要 做 下 面几 条 :
较 强的 电磁 辐射 ,自身电路也对外 界的干 扰较敏 感。要改善印制线路板 的电磁兼 容 性 ,最简单而有效的方法就是减小关键信
() 1 确定沿着最关键 电路的信号 网络中 的电源盒接地点 。
() 2划分为功能子段布线 。 考虑敏感元
/ 号 的回路面 积 , 如产生较 强辐射 的时钟信 件及其县官的 I O端 口和 连接 器的要求。 () 3将最关键信号 网络的所有元件领近 号 、较敏感 的模拟 信号等。 ! 多层板 适用于高密度布线 、 高集成 度
B的抗干扰能 有信号的 回路面积就可以 降至 最小 , 从而 1 设计 合理排列各 层对 PC 力十分有 益。 C P B设计 中层排列的一些基 有效减小差模辐射 。
电路板级的电磁兼容设计
器件 上 。这种 做法 使 电源布线 分布 阻抗 非 常 小 , 电路压 降小 ,器件上 能得 到稳 定 的直 流 电压 。同时平 面间 靠得 很近 ,能较 好地 抑制 电场 耦合 。且 电源 平面往 返 电流大 小相 等 , 磁场 干扰 能抵 消 。 () 地平 面法 2共
的负 载端接 上 一个 瞬态变 化 的信号 源 。特 别 是在 高频 ,有 的器 件工 作在数 字开 关状 态 , 这一 现象 更为 突 出。这样 电源 布线 既含 有直 流 电压 ,又 含 有 瞬态 变化 的 电压 ( 为 寄生 称 电压 ) ,瞬 变 电压 会 产生 高 次谐 波 ,其 都 是 产 生E I 主要来 源 。 M的 2 电源 布线 的防干 扰措 施 . () 1 电源 平 面法 利 用P B C 的一层 作 为 电源 平 面层 ,至 少 有 一层 作为地 平面 ,每 一层 只 能提 供一 种 电
、
尽 可能 缩短 高频 元件 之 间的连 线 ,设法 影 响 ,负载 电压或 电流 的瞬态 变化 会 引起 电 减 少它 们 的 分布 参 数 和 相互 间的E I 易受 源 电压或 电流 发生 瞬态 变化 ,这如 同在 电源 M。
制 造 商 提 供 具 有较 低辐 射 的 胶 合 逻 辑 产 品 ( 合 逻辑 产 品指 的是连 接 不兼 容 的复杂 电 胶 路 的简单 逻 辑 电路 ) 。 2传 输线 匹配I0 C 出 引脚 必须匹 配 . / :I输 高速 信号 的传 输 线 。例如 当驱 动一 个2 5 Q的 并联终端 负载时 ,就 可 以使用 总线驱动器 。 3低 输入 电容 :低输 入 电容有 助于 降低 . 逻 辑 器件 的状 态变 化 时的 电流 峰值 , 因此可 以减 小磁场 辐 射和 地返 回 电流 。 4 铝 电解 电容 可 能发 生几微 秒 的暂 时性 . 介质 击 穿 , 因而在 纹波 很大 或有 瞬变 电压 的 电路里 ,应 该 使用 固体 电容 器 。 5 使 用 寄 生 电感 和 电 容 量 较 小 的 电阻 . 器 。片 状 电阻器 可用 于 超高 频段 。 6 大 电感 寄生 电容 大 ,为 了提高 低频 部 . 分 的插入 损 耗 ,不要 使用 单 节滤波 器 ,而应 启动 区 域无 功投 入策 略 。
印制电路板的电磁兼容性设计
摘 要:在电子设备的设 计中,PCB设计作为电子设备设计中的关键性基础设计步骤 ,尤其在高速电子电路 设备 的设计 中,PCB的电磁兼容性 设计可谓 是关 键 巾 的关 键 ,它 的 电磁 兼 容 性 的 优 劣 直 接 影 响着 电子 设 备 的 性 能 。本 文 在 深 入 探 讨 PCB产 生 电磁 于 扰 的 原 因 和 掌 握 电磁 兼 容 原 理 的基 础 上 ,针 对产 生 电磁 干 扰 的类 型采 取 相 应 的措 施 ,给 出 了 PCB电磁 兼 容 性 没计 的 几 种典 型方 法 ,重 点 阐述 了 PCB高 速 布 局 、布线 等 的 原 则 ,完 成 了信 号 完 整 性 的设 计 。具有普遍 的实用参考价值 。 关键词 :PCB;电磁干扰 ;电磁兼 容
I 艳春 等 :印 翻 电路 板 的 电磁 兼 容性 设计
印 制 电路 板 es ̄n of P ̄nWd Circuit Board
王 艳 春 祖 静 崔 春 生
(中北 大 学 电子 测 试 技 术 国家 重 点 实 验 室 仪 器 科 学 与 动 态 测 试 教 育部 重 点 实验 室 ,山 西 太 原 030051)
在 PCB上 有许 多 情况 可 以 引起 EMI,这 是 因 为元 件 在特定 情况 下都 有 隐 藏 特性 。 比如 在 高 频 段里 ,导线 相 当于一 个 电感 和电 阻 的 串联 ;一 个 电 阻器 相 当 于 一个 电 感 串联 上一 个 电阻 与 电容 的并 联 结 构 ;一 个 电 容相 当于 一 个 电感 ,电阻 和 电容 器 的 串联 ;一个 电感 相 当于一个 电 阻串上 一个 电感 与 电容 的并联 结构 。如 图 1所示 。认 识 到元 件 的高频 寄生 特性 ,并 在 PCB设 计 阶段 采 取措 施 解 决 此类 电磁 兼容 问题 非常 重要 。
高速DSP系统的电路板级电磁兼容性设计-设计应用
高速DSP系统的电路板级电磁兼容性设计-设计应用0 引言印制线路板(PCB)提供电路元件和器件之间的电气连接,是各种电子设备基本的组成部分,它的性能直接关系到电子设备质量的好坏。
随着电子技术的发展,各种电子产品经常在一起工作,它们之间的干扰越来越严重,所以电磁兼容问题成为一个电子系统能否正常工作的关键。
同样,随着PCB的密度越来越高,PCB设计的好坏对电路的干扰及抗干扰能力影响很大。
要使电子电路获得性能,除了元器件的选择和电路设计之外,良好的PCB布线在电磁兼容性中也是一个非常重要的因素。
随着高速DSP技术的广泛应用,相应的高速DSP的PCB设计就显得十分重要。
由于DSP是一个相当复杂、种类繁多并有许多分系统的数、模混合系统,所以来自外部的电磁辐射以及内部元器件之间、分系统之间和各传输通道间的串扰对DSP及其数据信息所产生的干扰,已严重地威胁着其工作的稳定性、可靠性和安全性。
据统计,干扰引起的DSP事故占其总事故的90%左右。
因此设计一个稳定、可靠的DSP系统,电磁兼容和抗干扰至关重要。
1 DSP的电磁干扰环境电磁干扰的基本模型由电磁干扰源、耦合路径和接收机3部分组成,如图1所示。
电磁干扰源包含微处理器、微控制器、静电放电、瞬时功率执行元件等。
随着大量高速半导体器件的应用,其边沿跳变速率非常快,这种电路可以产生高达300 MHz的谐波干扰。
耦合路径可以分为空间辐射电磁波和导线传导的电压与电流。
噪声被耦合到电路中的简单方式是通过导体的传递,例如,有一条导线在一个有噪声的环境中经过,这条导线通过感应接收这个噪声并且将其传递到电路的其他部分,所有的电子电路都可以接收传送的电磁干扰。
例如,在数字电路中,临界信号容易受到电磁干扰的影响;模拟的低级放大器、控制电路和电源调整电路也容易受到噪声的影响。
2 DSP电路板的布线和设计良好的电路板布线在电磁兼容性中是一个非常重要的因素,一个拙劣的电路板布线和设计会产生很多电磁兼容问题,即使加上滤波器和其他元器件也不能解决这些问题。
F pcb布线设计
E = 2.6 I A f 2 / D
控制谐波次数
布线
A 面积: 控制电流回路面积【PCB设计】 f 频率: 合适的器件,阻尼电阻【原理图设计】 布线阻抗【PCB设计】
降低电流【I】和频率【f】
使用最合适的器件 利用阻尼电阻,减缓上升沿,同時保证SI和EMC
接510歐姆阻尼電阻
有11個諧波分量
有多於58個諧波分量
E = 0.63 I L f / D
考虑地面反射: E = 1.26 I L f / D
μV/m μV/m μV/m
PCB
增加共模回路的阻抗
高频磁环
PCB
共模回路
改善量 = 20lg(E1 / E2) = 20lg ( ICM1 / ICM2 ) = 20lg[(VCM / ZCM1) / (VCM / ZCM2)] = 20 lg ( ZCM2 / ZCM1)
PCB 布线规则
PCB设计时 的电路措施
印制电路板(PCB)布局
首先考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时,印制线条长 ,抗噪声能力下降;过小,则邻近线条易受干扰。 在确定PCB尺寸后.再确定特殊元件的位置。 最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进 行布局。
布局操作的基本原则
A. 遵照“先大后小,先难后易”的布置原则,即重要的单元电路、核 心元器件应当优先布局。
去耦技术: 安装去耦电容来提供一个电流源----整体去耦电容 补偿逻辑器件工作时所产生的△I噪声电流---本地 去耦电容。
去耦的目的 保证直流工作电压的稳定; 确保各逻辑器件正常工作。
去耦电容的选择
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。
浅析PCB设计中的电磁兼容性
浅析PCB设计中的电磁兼容性作者:周彩霞易江义来源:《价值工程》2014年第06期摘要:针对PCB设计中的板层类干扰、布局类干扰和走线类干扰,详细分析了抑制电磁干扰的分层对策、布局规则和走线准则,并提出了电磁兼容预测分析,以实现PCB设计中的电磁兼容性。
Abstract: For layer interference, layout and wiring interference in PCB design, this paper introduces in detail the method for suppressing interference from hierarchical strategya, layout rules and routing principle, and presents the prediction and analysis of electromagnetic compatibility, in order to achieve the electromagnetic compatibility design of PCB.关键词: PCB设计;电磁干扰;电磁兼容性Key words: PCB design;electromagnetic interference;electromagnetic compatibility中图分类号:TN405 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2014)06-0039-020 引言电子产品的设计核心是电路,而承载电路的印制电路板(PCB)则是产品设计成败的关键。
印制电路板不仅要为电路中的元器件提供正确无误的电气连接,同时又要充分考虑印制电路板的抗干扰性。
随着信息化技术的发展,电子产品的种类、功能和速度不断增加,使PCB 的设计向着高密度、细孔径、细导线、小间距、多层次方向发展,PCB设计中的电磁兼容性(EMC)问题也变得愈发突出和令人关注。
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维普资讯 .cqvip.电子工程师.8No1202.02电磁兼容设计在印制电路板中的应用ApiainoplctofEMCsgnPCBDeini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[Thsppritouehlcrmantccmptblyeinohsrc]iaenrdcsteeetogeioaiitdsgfteipitdcrutbadrneiciors,icuigtearnenfeensheinorudtaenldnhragmetolmet,tedsgfgonrc、mantaeninltaeAtls.idsusssmepolmsoircadsgarc.atticseorbefmu—yrrnehiaepitdl:rutbad.iciorsKewor:lcrmaneiopaiiiy,eetoantcydseetogtccmtbltlcrmgeiditracsubne,cmmonoeomdrditon.difrntaonefrncaaifeeilmdeitreee10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和系统间两部分,主要是对系统之间及系统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—020—195 ? 4维普资讯 .cqvip.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Io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.即使轨维普资讯 .cqvip.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.8No1202.02C=A ?nX+,-C7)A2半C() ? rs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41O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。