电路板地EMC设计指南.doc
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1、/PCBPCB的的EMCEMC设计指南设计指南_ 艾默生网络能源有限公司艾默生网络能源有限公司/修订信息表修订信息表版本修订人修订时间修订内容 V1.0李瑞林2001-05-27新拟制 V1.1李瑞林2002-05-16规范化模板,调整部分内容 V1.2李瑞林2005-09-13调整部分内容 V2.0骆昊2006-07-16调整部分内容/目目 录录 前言前言.5 目的目的.7 范围范围.7 引用引用/参考标准或资料参考标准或资料.7 名词解释名词解释.7 指南简介指南简介.7 指南内容指南内容.7 第一部分第一部分层的设置层的设置.8 1.1 弱信号单板的合理层数.8 1.2 电源层、地层、信
2、号层的相对位置.8 1.3 强信号单板的合理层数.13 第二部分第二部分布线布线.14 2.1 布线基本规则.14 2.2 串扰.22 2.3 优选布线层.24 2.4 阻抗控制.25 2.5 跨分割区及开槽的处理.26 第三部分第三部分地回路设计地回路设计.32 3.1 地的分割与汇接.32 3.2 接地的含义.32 3.3 接地的目的.32 3.4 基本的接地方式.32 3.5 地线回路导致的电磁干扰.33 3.6 接地和信号回路(涡流除外).34 3.7 浮地.34 3.8 关于接地方式的一般选取原则.34 3.9 单板接地方式.34 第四部分第四部分典型电典型电路路的的PCB设计设计.
3、36 4.1 概述.36 4.2 功率主电路的PCB EMC布局原则.36 4.3 PFC电路的布局.41 4.4 单端正激电路.42 4.5 单端反激电路.47 4.6 非隔离电路(正激).48 4.7 双正激电路.48 4.8 全桥电路.51 4.9 半桥逆变电路.53 第五部分第五部分电源电源EMI滤波器的滤波器的PCB设计设计.56 5.1 概述.56 5.2 EMI滤波器的基本结构.56 5.3 布局考虑.56 5.4 布线考虑.58 第六部分第六部分传传输线输线.60 6.1 概述:.60 6.2 传输线模型.60 6.3 传输线的种类.60 6.3.2带状线(Stripline)
4、.60 6.3.3嵌入式微带线.61 6.4 传输线的反射.62 6.5 微带线与带状线的比较.64/前言前言近几年,EMC 问题在我们的产品开发过程中越来越突出,为了保证产品高可靠性、较短的开发 周期、有竞争力的价格,我们必需在产品开发前期就把 EMC 问题解决好。而通过解决单板上的 EMC 问题更是解决整个产品 EMC 问题的最好途径。电磁兼容性(EMC-Electromagnetic Compatibility),根据国家军用标准 GJB72-85电磁干扰 和电磁兼容性名词术语第 5.10 条,定义为:“设备(分系统、系统)在共同的电磁环境中能一起 执行各自功能的共存状态。即:该设备不会
5、由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导 致或遭受不允许的降级;它也不会使同一电磁环境中其他设备(分系统、系统),因受其电磁发射 而导致或遭受不允许的降级。 ”在一个电子系统中,印制板作为硬件系统的核心部件之一,印制板设计的好坏将直接影响到 整个系统的稳定性,因此,在设计之初就充分考虑到电磁兼容的问题,考虑到信号的完整性等, 无疑将提高系统的稳定性,缩短开发周期,提前将稳定的系统推向市场。在任何设计中,经验永远占有一席之地,在处理 EMC 问题上,经验与技术诀窍仍然如此,从电 路设计开始就参考抑制 EMI 的技术人员汇总的经验与技术诀窍,将之成功地运用于系统设计中, 将产生事半功倍的效果
6、。然而,随着系统越来越复杂化,系统频率越来越高,已有的一些经验不 一定适合现在和将来的要求,但从设计初期就开始考虑 EMC 问题、考虑信号完整性,进行可生产、 可测试、可维护性设计,始终是设计时应该考虑的问题。对于新出现的问题,目前一般采用模拟分析的方法,但是由于该方法对设计人员经验等要求 相对较高,而且一些问题诸如过孔与焊接模型的建立等还存在一些问题,比较完整的系统数学模 型建立也是一个长期和复杂的工程,导致仿真程序的结果也并不尽如人意。而且系统将来运行环 境的模型化也有一定的困难,仿真程序也难以包含所有的情况。对我司产品而言,目前绝大部分 设计还很难做到这一步。因此,经验的积累与传授仍将是
7、一项长期的任务。纵观国内外业界精英的做法,无一不是在产品的预研、开发阶段投入大量精力,在设计阶段 开展 EMC 工作,避免可能出现的电磁兼容问题。我司在 EMC 等产品专项工程方面也开展了一系列 的研究并取得一定的成绩,EMC 研究室、CAD 室、以及相关产品线均做出一些探索性的工作。作为 EMI 的源头,器件选型、原理设计、PCB 设计已逐渐引起重视,硬件开发人员对 PCB 的 EMC 设 计提出了要求。为了对 PCB 的 EMC 设计成果加以总结、推广,同时对一些未知的领域进行积极的 探索,在 EMC 室和 CAD 室的积极参与下,由金明宇、骆昊、李瑞林、原晓霞、候俊锋在参考了我 司以前对
8、 EMC 方面进行的总结,共同编制了PCB 的 EMC 设计指南 。文中的有些观点、建议仅仅 是现有工作经验的总结,由于 EMC 领域的诸多未知因素,加上编者的水平有限,错误、疏漏之处 在所难免,还望大家不断批评、指正。对于本文的任何不明白之处,以及任何有益建议请与 EMC 室、CAD 室联系,共同探讨 PCB 的 EMC 设 计过程中的任何实际问题。同时感谢那些为此指南作过经验积累的同事及前同事胡寿林、谢敏仙、操方星、钱柏年、李 静、汤昌茂、胡庆虎、于小卫。本规范由艾默生网络能源有限公司研发部发布实施,适用于 ENPC 的 PCB 设计。本规范由 各产品开发部、电子工艺部 等部门参照执行。本
9、规范拟制部门: 电子工艺部/本规范拟制人:骆昊本规范会签人:金明宇、李瑞林、原晓霞、候俊锋本规范批准人:季明明本规范发布人:研发业务管理办/目的目的本指导书旨在指导公司 PCB 的 EMC 设计,将电路 EMC 设计要求在 PCB 中得以实现。本书旨在对我司 PCB 的 EMC 设计现有成果加以总结、推广,结合我司 PCB 设计过程中的经验教训 以及产品的 EMC 测试数据,谨供各位硬件工程师进行 PCB 的 EMC 设计时参考。本指导书会不断升 级,请使用最新版本。范围范围本指导书适用我司所有正式产品的 PCB EMC 设计。 引用引用/参考标准或资料参考标准或资料略名词解释名词解释EMCE
10、MC:Electromagnetic Compatibility,电磁兼容EMIEMI:Electromagnetic Interference,电磁干扰弱信号:在本文中电压小于等于 Rms 15V 以下,同时电流小于等于 100mA 以下的信号。强信号:在本文中电压大于 Rms 48V 以上,同时电流大于 2A 以上的信号。指南简介指南简介为了正确进行单板的EMC设计,特制定本指南。指南内容指南内容/第一部分第一部分 层的设置层的设置1层的设置层的设置在 PCB 的 EMC 设计考虑中,首先涉及的便是层的设置;单板的层数由电源、地的层数和信号层数 组成;电源层、地层、信号层的相对位置以及电源
11、、地平面的分割对单板的 EMC 指标至关重要。1.11.1弱信号单板的合理层数弱信号单板的合理层数根据单板的电源、地的种类、信号密度、板级工作频率、有特殊布线要求的信号数量,以及综合 单板的性能指标要求与成本承受能力,确定单板的层数;对于 EMC 指标要求苛刻(如:产品需认 证 CISPR22 CLASS B)而相对成本能承受的情况下,适当增加地平面乃是 PCB 的 EMC 设计的杀手锏 之一。1.1.11.1.1VccVcc、GNDGND 的层数的层数单板电源的层数由其种类数量决定;对于单一电源供电的 PCB,一个电源平面足够了;对于多种电 源,若互不交错,可考虑采取电源层分割(保证相邻层的
12、关键信号布线不跨分割区) ;对于电源互 相交错(尤其是象 8260 等 IC,多种电源供电,且互相交错)的单板,则必须考虑采用 2 个或以上 的电源平面,每个电源平面的设置需满足以下条件:单一电源或多种互不交错的电源;相邻层的关键信号不跨分割区;地的层数除满足电源平面的要求外,还要考虑:元件面下面(第 2 层或倒数第 2 层)有相对完整的地平面;高频、高速、时钟等关键信号有一相邻地平面;关键电源有一对应地平面相邻(如 5V 与 GND 相邻) 。1.1.21.1.2信号层数信号层数在 CAD 室现行工具软件中,在网表调入完毕后,EDA 软件能提供一布局、布线密度参数报告,由此 参数可对信号所需
13、的层数有个大致的判断; 经验丰富的 CAD 工程师,能根据以上参数再结合板级 工作频率、有特殊布线要求的信号数量以及单板的性能指标要求与成本承受能力,最后确定单板 的信号层数。信号的层数主要取决于功能实现,从 EMC 的角度,需要考虑关键信号网络(强辐射网络以及易受 干扰的小、弱信号)的屏蔽或隔离措施。1.21.2电源层、地层、信号层的相对位置电源层、地层、信号层的相对位置 1.2.11.2.1VccVcc、GNDGND 平面的阻抗以及电源、地之间的平面的阻抗以及电源、地之间的 EMCEMC 环境问题环境问题电源、地平面存在自身的特性阻抗,电源平面的阻抗比地平面阻抗高;为降低电源平面的阻抗,尽
14、量将 PCB 的主电源平面与其对应的地平面相邻排布并且尽量靠近,利 用两者的耦合电容,降低电源平面的阻抗;/电源地平面构成的平面电容与 PCB 上的退耦电容一起构成频响曲线比较复杂的电源地电容,它的 有效退耦频带比较宽, (但存在谐振问题) 。1.2.21.2.2VccVcc、GNDGND 作为参考平面,两者的作用与区别作为参考平面,两者的作用与区别电源、地平面均能用作参考平面,且有一定的屏蔽作用;但相对而言,电源平面具有较高的特性 阻抗,与参考电平存在较大的电位势差;从屏蔽的角度,地平面一般均作了接地处理,并作为基 准电平参考点,其屏蔽效果远远优于电源平面;在选择参考平面时,应优选地平面。1
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