幹貨預警:高速電路的電磁兼容分析與設計
發布時間:2016-11-07 責任編輯:wenwei
【導讀】設計的線路板首要任務是能夠正常工作,但如今PCB板的層數越來越高,厚度越來越薄,線寬、線間距等越來越小,出現電磁幹擾等影響印製板的質量的因素層出不窮。基於此主要探討電磁兼容產生的因素、電磁兼容產生的要素並對相應的解決問題的方法進行詳細分析與探討。
0 引言
diancijianrongxingshizhidianqihedianzixitongjishebeizaitedingdediancihuanjingzhong,zaiguidingdeanquanjiexianneiyishedingdedengjiyunxingshi,buhuiyouyuwaijiededianciganraoeryinqisunhuaihuodaozhixingnengehuadaobukewanjiudechengdu,tongshitamenbenshenchanshengdediancifushebudayujiandingdejixiandianping,buyingxiangqitadianzishebeihuoxitongdezhengchangyunxing,yidadaoshebeiyushebei、係統與係統之間互不幹擾、共同可靠地工作的目的。
1 電磁兼容產生的因素
(1)dianzudepinlvtexing。zaishuzidianluzhong,dianzudezhuyaozuoyongzaiyuxianliuhequedinggudingdianping,zaigaopindianluzhong,cunzaiyudianzuliangduandegaopinjishengdianronghuiduizhengchangdedianlutexingzaochengpohuai。tongyangdianzudeyinjiaodianganduidianludeEMC影響很大。
(2)電容的頻率特性。電容器一般應用在電源總線,它提供去耦合、pangluheweichigudingdezhiliudianyahedianliudezuoyong。danshizaigaopindianluzhong,dangdianludegongzuopinlvchaoguoledianrongdezixiezhenpinlvshi,qijishengdianganjiangshidianrongbiaoxianweidiangantexing,congershiquyuanyoudegongnengbingyingxiangdianludegongzuoxingneng。
(3)電感的頻率特性。電感器是用來控製PCB內的EMI。dangdianludegongzuopinlvzengjiashi,diangandedengxiaozukanghuisuizhepinlvdezengjiaerzengda,dangdianludegongzuopinlvchaoguodiangandegongzuopinlvshangxianshi,dianganjianghuiyingxiangdianludezhengchanggongzuo。
(4)導線的頻率特性。PCBshangdezouxianheyuanqijiandeyinjiaodaoxiandouyoujishengdianganhedianrong,zhexiejishengdianganhedianronghuiyingxiangdaodaoxiandepinlvtexing,congeryoukenengzaiyuanqijianhedaoxianzhijianchanshengxiezhen,zhishidaoxianchengweidianciganraodezhongyaofashetianxian。tongchang,daoxianzaidipinduanbiaoxianweidianzutexing,zaigaopinduanzebiaoxianweidiangantexing,yincizaiPCB上,導線的長度一般要求小於工作頻率波長的二十分之一,以避免導線成為電磁幹擾的發射源。
(5)靜jing電dian。靜jing電dian放fang電dian問wen題ti已yi經jing成cheng為wei電dian子zi產chan品pin的de一yi大da公gong害hai,可ke能neng給gei產chan品pin帶dai來lai永yong久jiu性xing的de損sun壞huai,因yin此ci在zai產chan品pin設she計ji中zhong,必bi須xu采cai取qu相xiang應ying的de靜jing電dian防fang護hu措cuo施shi。常chang用yong的de防fang靜jing電dian措cuo施shi包bao括kuo選xuan擇ze具ju有you防fang靜jing電dian材cai料liao,采cai用yong電dian氣qi隔ge離li措cuo施shi,提ti高gao產chan品pin的de絕jue緣yuan強qiang度du以yi及ji設she置zhi良liang好hao的de靜jing電dian屏ping蔽bi層ceng和he泄xie放fang通tong道dao等deng。
(6)電源。隨著高頻開關電源的廣泛應用和電力係統負荷的不斷增加,電源對產品的幹擾問題逐漸成為影響產品EMC特te性xing的de一yi個ge重zhong要yao因yin素su。因yin此ci,一yi些xie易yi受shou幹gan擾rao的de敏min感gan設she備bei已yi經jing不bu直zhi接jie采cai用yong交jiao流liu供gong電dian而er改gai用yong直zhi流liu供gong電dian,這zhe樣yang雖sui然ran增zeng加jia了le係xi統tong的de複fu雜za性xing和he成cheng本ben,但dan是shi有you效xiao提ti高gao了le係xi統tong工gong作zuo的de穩wen定ding性xing。
(7)leidian。leidianshizhishangshiyizhongzhengfudianhezhonghedeqiangjingdianfangdianguocheng,youcichanshengdeqiangdiancimaichongdaozhigezhongdianzishebeishousundezhuyaoyuanyin。leidianduidianzishebeideyingxiangbaokuozhijileiheganyingleiliangzhong,xianzaigezhongshineishiyongdedianzishebei,yibanburongyizaoshouzhijileideyingxiang,danshiyiranrongyishoudaoganyingleidesunhai。weilequebaodianzishebeideanquanyunxing,bixuduidianzishebeijinxingfangleijibaohu。changyongdefangleicuoshibaokuoshezhibileizhen、安裝避雷器和避雷線等。

2 電磁兼容產生的要素
理論和實踐的研究證明,不管複雜係統還是簡單裝置,任何一個電磁幹擾的發生必須具備三個基本條件:存在一定的幹擾源、有幹擾的完整耦合通道、有被幹擾對象的響應。
2.1 電磁幹擾源
電磁幹擾源指產生電磁幹擾的任何元件、器件、設備、係統或自然現象。高頻電路對電磁幹擾尤為敏感,因而需要采取多種措施來抑製電磁幹擾。經過理論與實驗分析得知:高頻電路中,電磁幹擾主要來自以下幾個方麵:
(1)器件工作的噪聲幹擾
(a)數字電路工作時產生電磁幹擾。
(b)信號電壓、電流變化產生的電磁場幹擾。
(2)高頻信號噪聲幹擾
(a)串擾:shizhiyigexinhaozaichuanshutongdaoshangchuanshushi,yindianciouheerduixianglindechuanshuxianchanshengbuqiwangdeyingxiang,zaibeiganraoxinhaobiaoxianweibeizhuruleyidingdeouhedianyaheouhedianliu。guodadechuanraokenengyinqidianludewuchufa、時序延時,導致係統無法正常工作。
(b)回波損耗:當(dang)高(gao)頻(pin)信(xin)號(hao)在(zai)電(dian)纜(lan)及(ji)通(tong)信(xin)設(she)備(bei)中(zhong)傳(chuan)輸(shu)時(shi),遇(yu)到(dao)波(bo)阻(zu)抗(kang)不(bu)均(jun)勻(yun)點(dian)時(shi),就(jiu)會(hui)對(dui)信(xin)號(hao)形(xing)成(cheng)反(fan)射(she),這(zhe)種(zhong)反(fan)射(she)不(bu)但(dan)導(dao)致(zhi)信(xin)號(hao)的(de)傳(chuan)輸(shu)損(sun)耗(hao)增(zeng)大(da),並(bing)且(qie)會(hui)使(shi)傳(chuan)輸(shu)信(xin)號(hao)畸(ji)變(bian),對(dui)傳(chuan)輸(shu)性(xing)能(neng)影(ying)響(xiang)很(hen)大(da)。
(3)電源噪聲幹擾
PCB中的電源噪聲主要由電源自身產生或受擾感應的噪聲組成,主要表現為:①電源本身所固有的阻抗所導致的分布噪聲;②共模場幹擾;③差模場幹擾;④線間幹擾;⑤電源線耦合。
(4)地線噪聲幹擾
由於地線上存在電阻、阻zu抗kang,當dang電dian流liu通tong過guo地di線xian時shi,就jiu會hui產chan生sheng壓ya降jiang,當dang電dian流liu足zu夠gou大da或huo工gong作zuo頻pin率lv足zu夠gou高gao時shi,這zhe個ge壓ya降jiang會hui大da到dao足zu以yi對dui電dian路lu造zao成cheng幹gan擾rao。地di線xian導dao致zhi的de噪zao聲sheng幹gan擾rao主zhu要yao包bao括kuo地di線xian環huan路lu幹gan擾rao和he公gong共gong阻zu抗kang耦ou合he幹gan擾rao。
(a)地線環路幹擾:當(dang)多(duo)個(ge)功(gong)能(neng)單(dan)元(yuan)連(lian)接(jie)在(zai)地(di)線(xian)上(shang)時(shi),如(ru)果(guo)地(di)線(xian)中(zhong)的(de)電(dian)流(liu)足(zu)夠(gou)大(da),則(ze)會(hui)在(zai)設(she)備(bei)間(jian)的(de)連(lian)接(jie)電(dian)纜(lan)上(shang)產(chan)生(sheng)壓(ya)降(jiang)。由(you)於(yu)各(ge)個(ge)電(dian)路(lu)間(jian)的(de)電(dian)氣(qi)特(te)性(xing)不(bu)平(ping)衡(heng),每(mei)根(gen)導(dao)線(xian)上(shang)的(de)電(dian)流(liu)會(hui)不(bu)同(tong),因(yin)此(ci)產(chan)生(sheng)差(cha)模(mo)電(dian)壓(ya),從(cong)而(er)對(dui)電(dian)路(lu)造(zao)成(cheng)影(ying)響(xiang)。此(ci)外(wai)外(wai)部(bu)電(dian)磁(ci)場(chang)也(ye)有(you)可(ke)能(neng)在(zai)地(di)線(xian)環(huan)路(lu)中(zhong)感(gan)應(ying)出(chu)電(dian)流(liu),從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)幹(gan)擾(rao)。
(b)公共阻抗耦合幹擾;當(dang)多(duo)個(ge)功(gong)能(neng)單(dan)元(yuan)公(gong)用(yong)同(tong)一(yi)段(duan)地(di)線(xian)時(shi),由(you)於(yu)地(di)線(xian)阻(zu)抗(kang)的(de)存(cun)在(zai),各(ge)個(ge)單(dan)元(yuan)的(de)地(di)電(dian)位(wei)之(zhi)間(jian)會(hui)發(fa)生(sheng)相(xiang)互(hu)調(tiao)製(zhi),從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)各(ge)個(ge)單(dan)元(yuan)信(xin)號(hao)間(jian)相(xiang)互(hu)耦(ou)合(he)產(chan)生(sheng)幹(gan)擾(rao),在(zai)高(gao)頻(pin)電(dian)路(lu)中(zhong),電(dian)路(lu)處(chu)於(yu)高(gao)頻(pin)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai),地(di)線(xian)阻(zu)抗(kang)往(wang)往(wang)較(jiao)大(da),此(ci)時(shi)的(de)公(gong)共(gong)阻(zu)抗(kang)耦(ou)合(he)幹(gan)擾(rao)尤(you)其(qi)明(ming)顯(xian)。
消除公共阻抗耦合的途徑有兩個:yigeshijianxiaogonggongdixianbufendezukang,zheyanggonggongdixianshangdedianyayesuizhijianxiao,congerkongzhigonggongzukangouhe。lingyigefangfashitongguoshidangdejiedifangshibimianrongyixianghuganraodedianlugongyongdixian,yibanyaobimianqiangdiandianluheruodiandianlugongyongdixian,shuzidianluhemonidianlugongyongdixian。ruqiansuoshu,jianxiaodixianzukangdehexinwentishijianxiaodixiandediangan。zhebaokuoshiyongbianpingdaotizuodixian,yongduotiaoxiangjujiaoyuandebingliandaotizuojiedixian。duiyuyinshuaxianluban,zaishuangcengbanshangbudixianwanggenenggouyouxiaodijianxiaodixianzukang,zaiduocengbanzhongzhuanmenyongyicengzuodixiansuiranjuyouhenxiaodezukang,danzhehuizengjiaxianlubandechengben。tongguoshidangjiedifangshibimiangonggongzukangdejiedifangfashibingliandandianjiedi,binglianjiedidequedianshijiedidedaoxianguoduo。yincizaishijizhong,meiyoubiyaosuoyoudianludoubingliandandianjiedi,duiyuxianghuganraojiaoshaodedianlu,keyicaiyongchuanliandandianjiedi。liru,keyijiangdianluanzhaoqiangxinhao,ruoxinhao,monixinhao,shuzixinhaodengfenlei,ranhouzaitongleidianluneibuyongchuanliandandianjiedi,butongleixingdedianlucaiyongbingliandandianjiedi。
2.2 抑製耦合通道
高速電路中電磁幹擾的主要耦合通道包括輻射耦合、傳導耦合、電容耦合、電感耦合、電源耦合以及地線耦合等。
對於輻射耦合來說,其主要抑製方法是采取電磁屏蔽,將幹擾源與敏感對象有效隔離。
對dui於yu傳chuan導dao耦ou合he來lai說shuo,其qi主zhu要yao的de方fang法fa是shi在zai信xin號hao布bu線xian的de時shi候hou,合he理li安an排pai高gao速su信xin號hao線xian的de走zou向xiang。輸shu入ru輸shu出chu端duan用yong的de導dao線xian應ying盡jin量liang避bi免mian相xiang鄰lin平ping行xing,以yi免mian發fa生sheng信xin號hao反fan饋kui或huo串chuan擾rao,可ke在zai兩liang條tiao平ping行xing線xian間jian增zeng設she一yi條tiao地di線xian加jia以yi隔ge離li。對dui於yu外wai連lian信xin號hao線xian來lai說shuo,應ying盡jin量liang縮suo短duan輸shu入ru引yin線xian,提ti高gao輸shu入ru端duan阻zu抗kang。對dui模mo擬ni信xin號hao輸shu入ru線xian最zui好hao加jia以yi屏ping蔽bi,當dang板ban上shang信xin號hao導dao線xian阻zu抗kang不bu匹pi配pei時shi,會hui導dao致zhi信xin號hao反fan射she,當dang印yin製zhi導dao線xian較jiao長chang時shi,線xian路lu電dian感gan會hui導dao致zhi減jian幅fu振zhen蕩dang。通tong過guo串chuan入ru阻zu尼ni電dian阻zu(阻值通常取22~2 200 hm,典型值為470 hm),可有效抑製振蕩,增強抗幹擾能力,改善波形。
對於電感、電容的耦合幹擾來說,可采用如下兩個方麵進行抑製:一方麵是選擇合適的元器件,對於電感電容,應該根據不同元器件的頻率特性來選擇,對於其他元器件,則應選擇寄生電感、電容較小的器件。另一方麵是合理地進行布局和布線,要盡量避免長距離平行布線,電路中電氣互連點間的布線力求最短。信號(特別是高頻信號)線的拐角應設計成45度走向或稱圓形、圓弧形,切忌畫成小於或等於90度角度形狀。相鄰布線麵導線采取相互垂直、斜xie交jiao或huo彎wan曲qu走zou線xian的de形xing式shi以yi減jian少shao過guo孔kong的de寄ji生sheng電dian容rong和he電dian感gan,過guo孔kong和he管guan腳jiao之zhi間jian的de引yin線xian越yue短duan越yue好hao,並bing可ke以yi考kao慮lv並bing聯lian打da多duo個ge過guo孔kong或huo微wei型xing過guo孔kong以yi減jian少shao等deng效xiao電dian感gan。選xuan用yong元yuan器qi件jian封feng裝zhuang時shi,應ying選xuan擇ze標biao準zhun封feng裝zhuang,以yi減jian少shao因yin封feng裝zhuang不bu匹pi配pei而er導dao致zhi的de引yin線xian阻zu抗kang及ji寄ji生sheng電dian感gan。
對於電源耦合以及地耦合來說,首先應注意降低電源線和地線阻抗,對公共阻抗、串chuan擾rao和he反fan射she等deng引yin起qi的de波bo形xing畸ji變bian和he振zhen蕩dang現xian象xiang需xu采cai取qu必bi須xu措cuo施shi。在zai各ge集ji成cheng電dian路lu的de電dian源yuan和he地di線xian間jian分fen別bie接jie入ru旁pang路lu電dian容rong以yi縮suo短duan開kai關guan電dian流liu的de流liu通tong途tu徑jing。將jiang電dian源yuan線xian和he地di線xian設she計ji成cheng格ge子zi形xing狀zhuang,而er不bu用yong梳shu子zi形xing狀zhuang,這zhe是shi因yin為wei格ge子zi狀zhuang能neng顯xian著zhu縮suo短duan線xian路lu環huan路lu,降jiang低di線xian路lu阻zu抗kang,減jian少shao幹gan擾rao。當dang印yin製zhi電dian路lu板ban上shang裝zhuang有you多duo個ge集ji成cheng電dian路lu,且qie部bu分fen元yuan件jian功gong耗hao較jiao大da,地di線xian出chu現xian較jiao大da電dian位wei差cha,形xing成cheng公gong共gong阻zu抗kang幹gan擾rao時shi,宜yi將jiang地di線xian設she計ji成cheng封feng閉bi環huan路lu,這zhe種zhong環huan路lu無wu電dian位wei差cha,具ju有you更geng高gao的de噪zao聲sheng容rong限xian。應ying盡jin量liang縮suo短duan引yin線xian,將jiang各ge集ji成cheng電dian路lu的de地di以yi最zui短duan距ju離li連lian到dao電dian路lu板ban的de入ru口kou地di線xian,降jiang低di印yin製zhi導dao線xian產chan生sheng的de尖jian峰feng脈mai衝chong。讓rang地di線xian、電dian源yuan線xian的de走zou向xiang與yu數shu據ju傳chuan輸shu方fang向xiang一yi致zhi,以yi提ti高gao電dian路lu板ban的de噪zao聲sheng容rong限xian。盡jin量liang采cai用yong多duo層ceng印yin製zhi電dian路lu板ban,降jiang低di接jie地di電dian位wei差cha,減jian少shao電dian源yuan線xian阻zu抗kang和he信xin號hao線xian間jian串chuan擾rao。當dang沒mei有you多duo層ceng板ban而er不bu得de不bu使shi用yong雙shuang麵mian板ban時shi,必bi須xu盡jin量liang加jia寬kuan地di線xian線xian條tiao,通tong常chang地di線xian應ying加jia粗cu到dao可ke通tong過guo3倍於導線實際流過的電流量為宜,或采用小型母線方式,將公共電源線和地線盡量分布於印製板兩麵的邊緣。在電源母線插頭處接入1μF~10μF的鉭電容器進行去耦,並在去耦電容並聯一個0.01 μF~0.1μF的高頻陶瓷電容器。
2.3 保護敏感對象
對敏感對象的保護主要集中在兩個方麵,一方麵是切斷敏感對象與電磁幹擾之間的通道。另一方麵就是降低敏感對象的敏感度。
電子設備的敏感度是一柄雙刃劍,一方麵使用者希望電子裝置的靈敏度高,以提高對信號的接受能力;另一方麵,靈敏度高也意味著受噪聲影響的可能性越大。因此電子設備的敏感度應根據具體情況來確定。
對於模擬電子設備來說,通常采用的方法是采用優選電路,比如設計低噪聲電路、減少帶寬、抑製幹擾傳輸、平衡輸入、抑製幹擾及選用高質量電源等。通過這些方法可以有效降低電子設備對電磁幹擾的敏感度,提高設備的抗幹擾能力。
對於數字式電子設備來說,應在工作指標許可的情況下,采用直流噪聲容限高的數字電路,例如CMOS數字電路的直流噪聲容限遠高於TTL數字電路的直流噪聲容限;zaigongzuozhibiaoxukedeqingkuangxia,jinliangcaiyongkaiguansududideshuzidianlu,yinweikaiguansuduyuegao,youtayinqidedianyahuodianliudebianhuayejiuyuekuai,congeryuerongyichanshengdianlujiandeouheganrao;在電路可接受的前提下,盡可能提高門檻電壓,利用在電路前設置分壓器或穩壓管的方法來提高門檻電壓;采cai用yong負fu載zai阻zu抗kang匹pi配pei的de措cuo施shi,即ji使shi負fu載zai阻zu抗kang等deng於yu信xin號hao線xian的de波bo阻zu抗kang,消xiao除chu數shu字zi信xin號hao在zai傳chuan輸shu過guo程cheng中zhong由you於yu折zhe射she和he反fan射she的de作zuo用yong而er產chan生sheng的de畸ji變bian。通tong常chang情qing況kuang下xia,對dui敏min感gan對dui象xiang的de保bao護hu需xu要yao與yu對dui幹gan擾rao源yuan的de屏ping蔽bi以yi及ji對dui耦ou合he通tong道dao的de抑yi製zhi結jie合he起qi來lai使shi用yong,並bing且qie需xu要yao在zai實shi踐jian中zhong根gen據ju實shi際ji情qing況kuang進jin行xing反fan複fu實shi驗yan,以yi達da到dao最zui好hao的de防fang護hu效xiao果guo。
3 總結
高速電路板的電磁兼容分析與設計是一個係統性很強的工作,需要大量的工作經驗積累。電磁兼容設計是關係電子係統是否能實現功能、滿man足zu設she計ji指zhi標biao的de關guan鍵jian之zhi一yi,隨sui著zhe電dian子zi係xi統tong的de複fu雜za程cheng度du增zeng加jia,工gong作zuo頻pin率lv增zeng高gao,電dian磁ci兼jian容rong設she計ji在zai電dian子zi設she計ji中zhong的de地di位wei將jiang越yue來lai越yue突tu出chu,越yue來lai越yue重zhong要yao。
推薦閱讀:
特別推薦
- 噪聲中提取真值!瑞盟科技推出MSA2240電流檢測芯片賦能多元高端測量場景
- 10MHz高頻運行!氮矽科技發布集成驅動GaN芯片,助力電源能效再攀新高
- 失真度僅0.002%!力芯微推出超低內阻、超低失真4PST模擬開關
- 一“芯”雙電!聖邦微電子發布雙輸出電源芯片,簡化AFE與音頻設計
- 一機適配萬端:金升陽推出1200W可編程電源,賦能高端裝備製造
技術文章更多>>
- 大聯大世平集團首度亮相北京國際汽車展 攜手全球芯片夥伴打造智能車整合應用新典範
- 2026北京車展即將啟幕,高通攜手汽車生態“朋友圈”推動智能化體驗再升級
- 邊緣重構智慧城市:FPGA SoM 如何破解視頻係統 “重而慢”
- 如何使用工業級串行數字輸入來設計具有並行接口的數字輸入模塊
- 意法半導體將舉辦投資者會議探討低地球軌道(LEO)發展機遇
技術白皮書下載更多>>
- 車規與基於V2X的車輛協同主動避撞技術展望
- 數字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰
- 汽車模塊拋負載的解決方案
- 車用連接器的安全創新應用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
接口IC
介質電容
介質諧振器
金屬膜電阻
晶體濾波器
晶體諧振器
晶體振蕩器
晶閘管
精密電阻
精密工具
景佑能源
聚合物電容
君耀電子
開發工具
開關
開關電源
開關電源電路
開關二極管
開關三極管
科通
可變電容
可調電感
可控矽
空心線圈
控製變壓器
控製模塊
藍牙
藍牙4.0
藍牙模塊
浪湧保護器


