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四大視角看EMC設(shè)計：濾波、接地、屏蔽、PCB布局

日期：2024-10-18 20:17
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摘要： 電磁干擾的主要方式是傳導干擾、輻射干擾、共阻抗耦合和感應耦合。對這幾種途徑產(chǎn)生的干擾我們應采用的相應對策：傳導采取濾波，輻射干擾采用屏蔽和接地等措施，就能夠大大提高產(chǎn)品的抵抗電磁干擾的能力，也可以有效的降低對外界的電磁干擾。本文從濾波設(shè)計、接地設(shè)計、屏蔽設(shè)計和PCB布局布線技巧四個角度，介紹EMC的設(shè)計技巧。 一、EMC濾波設(shè)計技巧 EMC設(shè)計中的濾波器通常指由L，C構(gòu)成的低通濾波器。濾波器結(jié)構(gòu)的選擇是由"*大不匹配原則"決定的。即在任何濾波器中，電容兩端存在高阻抗，電感兩端存在低阻抗。圖1是...
        電磁干擾的主要方式是傳導干擾、輻射干擾、共阻抗耦合和感應耦合。對這幾種途徑產(chǎn)生的干擾我們應采用的相應對策：傳導采取濾波，輻射干擾采用屏蔽和接地等措施，就能夠大大提高產(chǎn)品的抵抗電磁干擾的能力，也可以有效的降低對外界的電磁干擾。本文從濾波設(shè)計、接地設(shè)計、屏蔽設(shè)計和PCB布局布線技巧四個角度，介紹EMC的設(shè)計技巧。

一、EMC濾波設(shè)計技巧

        EMC設(shè)計中的濾波器通常指由L，C構(gòu)成的低通濾波器。濾波器結(jié)構(gòu)的選擇是由"*大不匹配原則"決定的。即在任何濾波器中，電容兩端存在高阻抗，電感兩端存在低阻抗。圖1是利用*大不匹配原則得到的濾波器的結(jié)構(gòu)與ZS和ZL的配合關(guān)系，每種情形給出了2種結(jié)構(gòu)及相應的衰減斜率(n表示濾波器中電容元件和電感元件的總數(shù))。



         其中：l和r分別為引線的長度和半徑。寄生電感會與電容產(chǎn)生串聯(lián)諧振，即自諧振，在自諧振頻率fo處，去耦電容呈現(xiàn)的阻抗*小，去耦效果*好。但對頻率f高于f／o的噪聲成份，去耦電容呈電感性，阻抗隨頻率的升高而變大，使去耦或旁路作用大大下降。實踐中，應根據(jù)噪聲的*高頻率fmax來選擇去耦電容的自諧振頻率f0，*佳取值為fo=fmax。

去耦電容容量的選擇 在數(shù)字系統(tǒng)中，去耦電容的容量通常按下式估算：




二、EMC接地設(shè)計

       接地是*有效的抑制騷擾源的方法，可解決50%的EMC問題。系統(tǒng)基準地與大地相連，可抑制電磁騷擾。外殼金屬件直接接大地，還可以提供靜電電荷的泄漏通路，防止靜電積累。

在地線設(shè)計中應注意以下幾點：

（1）正確選擇單點接地與多點接地

        在低頻電路中，信號的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而應采用單點接地。當信號工作頻率大于10MHz時，地線阻抗變得很大，此時應盡量降低地線阻抗，應采用就近多點接地。當工作頻率在1～10MHz時，如果采用一點接地，其地線長度不應超過波長的1/20，否則應采用多點接地法。

（2）將數(shù)字電路與模擬電路分開

        電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應使它們盡量分開，而兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。

（3）盡量加粗接地線

       若接地線很細，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應將接地線盡量加粗，使它能通過三位于印制電路板的允許電流。如有可能，接地線的寬度應大于3mm。

（4）將接地線構(gòu)成閉環(huán)路

      設(shè)計只由數(shù)字電路組成的印制電路板的地線系統(tǒng)時，將接地線做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。其原因在于：印制電路板上有很多集成電路組件，尤其遇有耗電多的組件時，因受接地線粗細的限制，會在地結(jié)上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降，若將接地結(jié)構(gòu)成環(huán)路，則會縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。

三、EMC屏蔽設(shè)計

       屏蔽就是以金屬隔離的原理來控制某一區(qū)域的電場或磁場對另一區(qū)域的干擾。它包括兩個含義：一是將電路、電纜或整個系統(tǒng)的干擾源包圍起來，防止電磁干擾向外擴散；二是用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來，防止它們受到外界電磁干擾的影響。屏蔽按照機理可以分為電場屏蔽、磁場屏蔽、電磁場屏蔽三種不同方式。

       電場屏蔽電子設(shè)備中的電場通常是交變電場，因此可以將兩個系統(tǒng)間的電場感應認為是兩個系統(tǒng)之間分布電容Cj的耦合，如圖2所示。


則接受器上的感應電壓為





         由此可知，要使接受器的感應電壓Us減小，Zp應盡可能的小。所以，屏蔽體必須選擇導電性能良好的材料，而且須有良好的接地。否則，因為Cl>Cj，C2>Cj，若屏蔽體的接地電阻較大，將使屏蔽體加入后造成的干擾反而變得更大。

        磁場屏蔽是指對低頻磁場和高頻磁場的屏蔽。

        低頻磁場的屏蔽采用高導磁率的鐵磁性材料。利用鐵磁性材料的高導磁率對干擾磁場進行分路，使通過空氣的磁通大為減少，從而降低對被   干擾源的影響，起到磁場屏蔽的作用。由于是磁分路，所以屏蔽材料屏蔽材料 的磁導率U越高，屏蔽罩屏蔽罩越厚，磁分路流過的磁通越多，屏蔽效果越好。

         高頻磁場的屏蔽采用低電阻率的良導體作為屏蔽材料屏蔽材料。外界高頻磁場在屏蔽體中產(chǎn)生渦流，渦流形成的磁場抑制和抵消外界磁場，從而起到了屏蔽的作用。與低頻磁屏蔽不同，由于高頻渦流的趨膚效應，屏蔽體的尺寸并不是屏蔽效果的關(guān)鍵所在，而且屏蔽體接地與否和屏蔽效果也沒有關(guān)系。但對于高頻磁屏蔽的金屬良導體而言，若有良好的接地，則同時具備了電場屏蔽和磁場屏蔽的效果。所以，通常高頻磁屏蔽的屏蔽體也應接地。

        電磁場屏蔽電磁場屏蔽是利用屏蔽體對電場和磁場同時加以屏蔽，一般用來對高頻電磁場進行屏蔽。由前述可知，對于頻率較高的干擾電壓，選擇良導體制作屏蔽體，且有良好的接地，則可起到對電場和磁場同時進行屏蔽的效果。但是必須注意，對高頻磁場屏蔽的渦流不僅對外來干擾產(chǎn)生抵制作用，同時還可能對被屏蔽體保護的設(shè)備內(nèi)部帶來不利的影響，從而產(chǎn)生新的干擾。

四、PCB設(shè)計之布局布線策略

1. 選擇合理的導線寬度

         由于瞬變電流在印制線條上所產(chǎn)生的沖擊干擾主要是由印制導線的電感成分造成的，因此應盡量減小印制導線的電感量。印制導線的電感量與其長度成正比，與其寬度成反比，因而短而精的導線對抑制干擾是有利的。時鐘引線、行驅(qū)動器或總線驅(qū)動器的信號線常常載有大的瞬變電流，印制導線要盡可能地短。對于分立組件電路，印制導線寬度在1.5mm左右時，即可完全滿足要求；對于集成電路，印制導線寬度可在0.2～1.0mm之間選擇。

2. 采用正確的布線策略

布線時需要注意的幾個方面：

（1）保持環(huán)路面積*小，降低干擾對系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。并聯(lián)的導線緊緊放在一起，使用一條粗導線進行連接，信號線緊挨地平面布線可以降低干擾。電源與地之間增加高頻濾波電容。

（2）使導線長度盡可能的縮短，減小印制板的面積，降低導線上的干擾。

（3）采用完整的地平面設(shè)計，采用多層板設(shè)計，鋪設(shè)地層，便于干擾信號泄放。

（4）使電子元件遠離可能會發(fā)生放電的平面如機箱面板、把手、螺釘?shù)?，保持機殼與地良好接觸，為干擾提供良好的泄放通道。對敏感信號包地處理，降低干擾。

（5）盡量采用貼片元器件。

（6）模擬地與數(shù)字地在PCB與外界連接處進行一點接地。

（7）高速邏輯電路應靠近連接器邊緣，低速邏輯電路和存儲器則應布置在遠離連接器處，中速邏輯電路則布置在高速邏輯電路和低速邏輯電路之間。

（8）電路板上的印制線寬度不要突變，拐角應采用圓弧形，不要直角或尖角。

（9）時鐘線、信號線也盡可能靠近地線，并且走線不要過長，以減小回路的環(huán)面積。

3. 印制電路板的尺寸與器件的布置

        印制電路板大小要適中，過大時印制線條長，阻抗增加，不僅抗噪聲能力下降，成本也高；過小，則散熱不好，同時易受臨近線條干擾。在器件布置方面與其它邏輯電路一樣，應把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些，這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。時鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲，要相互靠近些。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應盡量遠離邏輯電路，如有可能，應另做電路板。

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