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回到电磁兼容的课堂

我们接着讲第18讲

印刷电路板的电磁兼容设计基础

印刷电路板或者叫PCB

是电子产品中电路元件和器件的载体

和元器件之间信号传输的通道

电路板的抗干扰能力弱

容易遭受电磁干扰的破坏

印刷电路板朝着高速 宽带

高灵敏度 高密度

和小型化方向的发展

布局布线密度增加

信号频率提高

高频信号线 集成电路的引脚

以及各类插件

布线网络以及各种元件

都可以成为具有天线特性的辐射骚扰源

PCB设计的关键就是

如何处理高速信号的电磁兼容问题

从电磁兼容的三要素来看

电路板上的时钟电路

塑封的元器件的辐射

不正确的布线

电缆的长度

很差的阻抗控制以及联接电缆的互联等

都可以成为它的骚扰源

而携带负载能量的媒质和连接线等

可以作为它的传输通道

接受辐射及传导的PCB元件

成为它的敏感设备

这个图给出了

骚扰源和敏感设备之间的干扰的传递方式

一个它们可以通过共用的地

通过共用的电源产生传导干扰

同时骚扰源壳体也可以产生空间电磁辐射

另外还可以通过它的I/O连线

将骚扰传输到外面

再产生空间辐射

然后作用在敏感设备的I/O连接线上面

或者直接作用在敏感设备上面来形成电磁干扰

因此电路板的电磁兼容设计要考虑5个问题

频率 幅值 时间特征 阻抗以及它的3D尺寸

电路板的电磁兼容设计要维护它的信号完整性

信号完整性是指信号线上的信号的质量

好的信号完整性是指

需要时具有所必须达到的电压电平值

而差的信号完整性

它不是由单一因素

而是由板极设计中多种因素共同引起的

影响信号完整性的因素有哪些呢

包括传输过程中的反射

过冲 振荡 延迟 畸变 地弹和串扰

地弹是指在电路中有大量的电流流过时

会引起地电位的升高

就相当于地电位抬升了

把它叫地弹

当一个回路呈感性时

信号传输就产生所谓的振铃现象

如果是呈容性

就呈环绕振荡的形式

这里可以通过适当的端接予以减小

但不可能完全消除

对于这种振铃波它会产生过冲的现象

它的第一个峰值或者谷值

超过设定的电压

过大的过程会引起保护二极管的工作

导致过早的失效

同时它还会存在下冲的现象

指的是信号下一个谷值或者峰值

过分的下冲

能够引起假的时钟或者数据的错误

而导致误操作

在电路板的迹线之间会存在串音的干扰

串音干扰是由两信号线与地平面引起的

它指的是出现在迹线之间

导线之间 迹线导线之间

安装电缆之间

元件之间不期望的电磁场的耦合

它已经包括了电容耦合和电感耦合

串音是一种电场的耦合现象

通过观测可以看到它的电场效应

串音干扰的耦合模型

取决于线路的阻抗 频率和其他的因素

主要取决于源和接收器阻抗的乘积

当源和接收器阻抗的乘积小于300的平方时

主要是磁场耦合

大于1000的平方时

主要是电场耦合

在二者之间

磁场耦合或电场耦合

都可以成为主要的耦合因素

取决于线路间的配置和频率

高频时是电容耦合为主

但高频时电缆屏蔽层两端接地

则以磁场耦合为主

低频时一般有较低的电路的阻抗

电感耦合为主

我们下面接着来确定串音的幅值

串音是随着频率而增加的

这样的话在它的频谱特性上面

就是以20分贝每10倍频进行增加

这个虚线是给出的时钟种信号的

频谱的包络线的三段线

把二者相加就会得到这个红线

得到串音的强度

串音先是以20分贝每10倍频增加

到达某个频率之后

形成了一个最大值

维持一段时间

达到另外一个频率之后

它接着以20分贝每10倍频减小

电子兼容设计的带宽是如何确定的呢

在电子电路电磁兼容设计中

有两个问题是必须解决的

一是

用于电磁兼容设计的带宽

与电子电路是不同的

我们不能用脉冲重复周期

决定了频带来作为

印制电路板的电磁兼容设计的带宽

电磁兼容设计的频率范围

除了基频外

还要考虑它的谐波因素

通常会取10倍频

对于一个典型的时钟驱动器

它的边缘率是2ns

对应的最大频率是160MHz

考虑10倍频

时钟电路可能产生

高达1.6GHz的辐射带宽

可以看出上升沿越陡

产生的高频越丰富

另一个必须考虑问题是边沿率

选择数字元器件时

通常根据制造商提供的逻辑门传输延时来考虑

而没有考虑输入输出信号的实际的边沿率

产生射频能量的主要因素是边沿率

而不是运行频率

对于EMC来说

元器件的边沿率是首先要考虑的因素

而时钟速度则是次要的考虑问题

只有在信号的边沿率满足

逻辑状态转换要求的条件下

才去重点考察运行的速度

元器件的实际运行速度都比标称的速度要快

因此选择满足要求的速度较慢的元器件

更有利于减小电磁干扰

另外还要考虑输入功率的消耗

逻辑状态转换的过程中

会引起很大的射频电压

和电容性的串音

因此所需要的转换电流远远大于它的静态的电流

在低到高的转换中

这个电流加到了静止电流上

在由高到低的转化中

静止电流要减去这个电流

我们再来谈一下高频下无源元件的模型

在高频情况下

元器件呈现的是分布的电感和分布电容

PCB板的引线 过孔 电阻 电容 接插件等

都会引入电感和电容

过孔大约会引入0.6pF的电容

集成电路封装材料

引入2~6pF的电容

线路板上的接插件有520nH的分布电感

一个双列直排24引脚的集成电路

会引入4~18nH的分布电感

分布参数在低频时可以忽略不计

但对于高速系统必须予以特别注意

这个表给出了高频情况下无源器件的模型

如一根印制线

可以看成是一个电阻和一个电感的串联

一个电阻看成是电感 电阻 电容的一个回路

所以它们都会存在一个谐振的频率

现在介绍瞬态耦合

快速的瞬态的影响

取决于耦合进入逻辑电路输入端的峰值电压

和器件的响应速度

幅值低于逻辑开关阈值的干扰脉冲

不会使器件的输入端从0变化到1

因而不会影响系统

超过阈值的脉冲

会使器件产生状态的变化

但比响应时间短的脉冲

要造成器件的翻转

需要更高的电压的值

这就相当于具有一定的响应的伏秒特性

以差模方式耦合进入逻辑电路的脉冲

其幅值取决于环路面积和电路的阻抗

电路阻抗越低则耦合电压越低

敏感信号的走线靠近地线

环路面积很小

则干扰就很难耦合进入敏感电路

这是为减小发射所推荐的方式

集成电路对射频的敏感性与瞬态干扰相比

主要集中在20~200兆赫兹范围

频率升高到微波频段

寄生电容为射频能量提供了旁路的路径

耦合效率会逐步降低

器件对干扰的响应敏感程度也会逐渐地降低

模拟电路不像数字电路那样对瞬态干扰敏感

但对射频能量的解调可能更加敏感

电路的实际响应取决于

干扰信号的电频和其线性动态范围

改善模拟电路抗扰度的措施

包括电路带宽最小化

信号电平最大化

使用平衡信号结构以及隔离特别敏感的路径

这个图给出了一些瞬态干扰的防护措施

包括在不同地方布置RC滤波器

对于瞬态干扰和静电放电的防护

为了防止瞬态干扰或静电侵入电路

我们应该将它们吸收掉

或直接旁路到地里面

我们在所有的接口的入口处要进行对地的滤波

用共模扼流圈或者光电耦合来隔离敏感电路

另外屏蔽电缆它的屏蔽层应该直接接到地上面

以上就是这一讲的内容

谢谢各位同学