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  • 关于印刷电路版的设计中的电磁兼容的讨论

    时间:2022-12-04 10:25:44 来源:正远范文网 本文已影响 正远范文网手机站

    摘要

    在电子设备或系统的电磁兼容设计中,最重要的是元器件的选择尤其是有源器件的正确选择和印刷电路板(PCB)的设计。本文从电磁兼容性、可靠性方面出发, 阐明了相关应用理论和强制规定, 提出了PCB 设计过程中选材、布局、主要元器件的选择信号线的布线规则及其相关注意事项。

    关键词 共模辐射 差模辐射 表面安装技术 PCB的设计 电磁兼容

    一、元器件的选择

    电阻、电容、电感, 一般也可选用SMT 的、容量大的电容, 可适情考虑应用其它形式器件。

    SMT器件环流面积最小最合适,且集成度高可靠性好, 所以作为首选对象

    小结:选用器件不主张功率越大越好, 速度越快越好, 而是推荐只要满足设计功能要求, 采用兼容各指标的设计, 且能降低成本,又能完美达到设计目标, 这种设计组合认为是最佳组合, 当然各种不同类型、等级的机器就有不同的最佳组合。

    二、线路板上的电磁骚扰辐射

    线路板的辐射主要产生于两个源:一个是PCB走线,另一个是I/O电缆。电缆辐射往往是更主要的辐射源。因为电缆是效率很高的辐射天线。有些电缆尽管传输的信号频率很低,但由于PCB上的高频率信号会耦合到电缆上,也会产生较强的高频辐射。

    线路板上的辐射以共模和差模的方式辐射。

    差模辐射的抑制

    减小差模辐射的方法:(1)降低电路工作频率;(2)减小信号环路的面积;(3)减小信号电流的强度。

    高速的处理速度是所有软件工程师所追求的,而高速的处理速度是靠高度的时钟频率来保证的,因此限制系统的工作频率有时是不允许的。这里所说的限制频率指的是减少不必要的高频成分。主要指1/€%itr频率以上的频率。

    最现实而有效的方法是控制信号环路的面积。通过减小信号环路面积能够有效减小环路的辐射,下面给出了不同裸机电路为了满足EMI指标要求所允许的环路面积。这是对于10m处,电磁辐射极限值在30~230MHZ之间为30dB€%eV/m,在230~1000MHz之间为37dB€%eV/m的情况下的面积限制。绝不意味着只要电路满足了这个条件PCB就能满足EMI指标要求。因为线路板的辐射不仅有差模辐射,还有共模辐射。而共模辐射往往比差模辐射更强。但如果不满足这些条件,PCB肯定会产生超标电磁辐射。

    印制板辐射主要产生于两个源, 一个是由各芯片组成的回路辐射, 即前面已提过的差模辐射。另一个就是印制板的各种电缆线, 工作时产生的共模辐射。当传输信号的导体的电位与邻近导体的电位不同时,(特别是电缆与地线及其他导体之间)在两者之间就会产生电流(有形地) , 即使两者之间没有任何导体连接, 高频电流也会通过寄生电容流动(无形地), 这种电流称为共模电流, 由这种共模电流产生的辐射称之为共模辐射。

    由于共模电压都是设计意图之外的, 因此共模辐射比差模辐射更难预测和抑制。

    有些电子干扰、辐射是不可预先知道的, 无形地线上发出的干扰、辐射往往很关键, 但很多设计人员不了解此类问题。

    三、印制板设计中的元器件布局

    当印制板外形尺寸决定后, 首先应进入关键的元器件布局设计, 它的设计好坏直接影响安全、电磁兼容等四大因素, 往往新设计人员对此无一比较正确的规则, 随自己意愿或某些想法来布局, 结果带来许多不利因素, 有时由于一、二根布线不当, 造成无可挽回而告知失败的结果。下面推荐两种比较理想的PCB 布局方式。

    1、星形辐射法

    该模式可将重要器件: 高频的晶体、晶振、时钟电路、CPU 等放在中央紧靠电源、地线输出端位置, 其它与它们有关的逻辑相关器件安排在上述器件的周围, 然后再连接其它边缘器件, 整个布局形成由中心向四周辐射状态。

    这种布局最大特点: 压缩布局空间, 中心至各引线距离基本相同, 线路阻抗基本一致,关键主要电路布线最短, 环流面积小。

    2、电源线、地线印制板插入联接法

    此种形式相当普遍, 其布局应在电源地线引入端近处放置高速电路, 重要电路, 然后再布中速、低速电路。

    四、印刷电路板(PCB)的设计

    PCB是所有精密电路设计中往往容易忽略的一种部件。由于很少把印刷电路板的电特性到电路里去,所以整个效应对电路功能可能是有害的。如果印刷电路板设计得当,它将具有减少骚扰和提高抗扰度的优点。反之,将使印刷电路板发生电磁兼容性问题。

    在设计印刷电路板时,设计的目的是控制下述指标:

    (1) 来自PCB电路的辐射;(2) PCB电路与设备中的其他电路间的耦合;(3) PCB电路对外部干扰的灵敏度;(4) PCB上各种电路间的耦合。

    印刷电路板的制造涉及许多材料和工艺过程,以及各种规范和标准。设计处理准则应符合GB4588. 3-88《印刷电路板设计和使用》。该标准规定了PCB涉及和使用的基本原则、要求和数据等。它对PCB设计和使用起指导作用。其中第6章“印刷电路板的布局设计”方法对电磁兼容性设计有一定的作用,是设计师应当遵守的设计准则。

    印制板布线前要正确认识电源、地线干扰及辐射情况是十分重要的, 当电源、地线在瞬态出现增加或减少电流时, 由于有电感和电容的作用, 在电源、地线上出现干扰状况,四层板原则上顶层为信号线层, 第二层为直流地线层, 第三层为直流电源层, 第四层为信号线层。当印制板IC 电路全部为开关电路或全部为模拟电路, 那它们的地线不必隔离分开。有时, 在直流电源层中往往有几种电源, 一般都用空隙隔离方法来分割解决。当印制板中出现有逻辑电路又有模拟电路的情况, 通过分析, 可将逻辑电路地线与模拟电路地线分区隔离(隔离带宽度> 3mm) 单处短接或用磁珠等方法联接取得同电位参照地。

    当印制板中的逻辑电路与模拟电路的联线有几十根, 情况非常复杂, 那必须掌握它们各自要有独立的电源、地线区, 又要考虑到有联结关系的IC 回路, 其环流面积最小的原则去设计, 并保证有极低阻抗的地线。

    参考文献

    [1]杨克俊编著. 电磁兼容原理与设计技术. 人民邮电出版社.

    [2]江思敏 ,唐广艺. PCB和电磁兼容设计. 机械工业出版社.

    [3]郑军奇. EMC设计与测试案例分析. 电子工业出版社.

    [4]吕英华, 于学萍等. 电磁兼容的印制板电路设计. 机械工业出版社.

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