1、1,2005 CITY SEMINARShttp:/,自我介绍,姓 名：于学萍 公 司：北京爱科创业电子技术有限公司 E-mail ： 电 话：010-82923717 手 机：13910783494,2,2005 CITY SEMINARShttp:/,PCB设计过程中的电磁兼容,3,2005 CITY SEMINARShttp:/,数字周期梯形波信号的频谱图,4,2005 CITY SEMINARShttp:/,数字周期梯形波信号的频谱图（仿真）,对1ns上升沿时间的梯形波（100MHz，占空比50%）的基于Matlab的快速傅立叶变换,5,2005 CITY SEMINARShttp:/
2、,元件的频率特性,6,2005 CITY SEMINARShttp:/,导线的频率特性,导线,阻抗,频率,L,L,R,7,2005 CITY SEMINARShttp:/,电阻的频率特性,C,L,电阻,L,阻抗,频率,Z=R,R,8,2005 CITY SEMINARShttp:/,电容的频率特性,电容,L,C,L,阻抗,频率,电容的绝缘电阻,R,R,9,2005 CITY SEMINARShttp:/,电感的频率特性,电感,L,阻抗,频率,直流电阻,C,R,R,10,2005 CITY SEMINARShttp:/,PCB线条的拓扑结构,11,2005 CITY SEMINARShttp:/
3、,微带线,表面微带线,绝缘材料,嵌入式微带线,绝缘材料,参考平面,12,2005 CITY SEMINARShttp:/,微带线的特性,微带线的优点：,信号传播速度快，传输延迟小。,微带线的缺点：,RF能量抑制作用差。,13,2005 CITY SEMINARShttp:/,带状线,单带状线,绝缘材料,参考平面,绝缘材料,双带状线,参考平面,14,2005 CITY SEMINARShttp:/,带状线的特性,带状线的优点：,对RF能量有良好的抑制作用。,带状线的缺点：,传输延迟时间长，信号边沿转换速率慢。,注：信号边沿转换时间1nS时，对信号的影响比较明显。,15,2005 CITY SEM
4、INARShttp:/,PCB层叠拓扑,16,2005 CITY SEMINARShttp:/,单层板设计,单层板的适用条件：,1、通常只用于不包含周期信号（时钟）和模拟信号的电路设计； 2、一般只能用在几百kHz的频率条件下。,单层板的缺点：,1、无法控制回路，避免大的回路面积； 2、缺乏RF回流路径和通量对消条件； 3、连接器会成为显著的辐射源。,17,2005 CITY SEMINARShttp:/,双层板设计,由于PCB板一般为标准厚度，因此线条离参考平面距离比较远。这样双层板，实际就是两个单面板设计。当然由于存在两个布线层，设计中相对单层板可以更有效地控制环路面积。,注：PCB板的标
5、准厚度为0.062in（1.6mm）。,18,2005 CITY SEMINARShttp:/,四层板设计,层间距离等分,信号1,信号2,电源,电源地,层间距离不等分,信号1,信号2,电源,电源地,19,2005 CITY SEMINARShttp:/,六层板设计,层叠拓扑图1,信号1,电源,电源地,信号2,信号3,信号4,信号1,信号3,信号2,电源地,电源,信号4,层叠拓扑图2,较差的布线层,电源地和电源去耦效果好,最好的布线层,可布线层,较差的布线层,可布线层,可布线层,最好的布线层,较差的电源退耦作用,较差的电源地退耦作用,可布线层,20,2005 CITY SEMINARShttp:
6、/,八层板设计,层叠拓扑图1,较差的布线层,最好的布线层,最好的布线层,可布线层,信号1,信号3,电源地,信号2,信号4,电源,信号5,信号6,较差的电源退耦作用,较差的电源退耦作用,可布线层,较差的布线层,层叠拓扑图2,可布线层,最好的布线层,可布线层,信号1,电源地,信号2,电源地,电源,信号3,电源地,信号4,最好的布线层,电源地和电源去耦效果好,21,2005 CITY SEMINARShttp:/,接地平面与镜像面,22,2005 CITY SEMINARShttp:/,印制板地与机架地的连接,如果不是浮地设计，那么就需要印制板接地。,/20,/20,/20,/20,/20,/20,
7、/20,/20,/20,/20,/20,注：此处是指所关心的最高频率对应的波长，而不是工作频率对应的波长。,23,2005 CITY SEMINARShttp:/,不同频率所对应波长的计算,波长的计算公式,（m）=,300,f（MHz）,典型波长数值列表,24,2005 CITY SEMINARShttp:/,镜像平面上的射频电流回路,低频电流是按电阻最小原理选择回路，高频电流按电感最小原理选择回路。,25,2005 CITY SEMINARShttp:/,分割后镜像平面的射频电流回路,低频电流是按电阻最小原理选择回路，高频电流按电感最小原理选择回路。,26,2005 CITY SEMINAR
8、Shttp:/,降低印制线条电感,当印制线条是电长时，那么它就是比较有效的天线。这对抑制RF辐射不利。通过减小印制线条电感，可以有效降低RF辐射。,27,2005 CITY SEMINARShttp:/,旁路和退耦,28,2005 CITY SEMINARShttp:/,退耦电容的计算,退耦电容容量的表达式,C=,I,V/ t,式中，I 电流的变化， V是允许的电压变化（纹波），t是切换时间。,退耦电容容量的计算实例,信号转换时电流变化为20mA， 电压波动要求小于100mV，信号上升沿时间为5ns。,C=,I,V/ t,=,20mA,100mV/ 5ns,= 0.001uF,29,2005
9、CITY SEMINARShttp:/,电容的自谐振频率,阻抗（）,频率(MHz),0.001,0.01,0.1,1,10,100,1000,10000,10,1,100,1000,0.1uF,0.01uF,0.001uF,0.0001uF,30,2005 CITY SEMINARShttp:/,表贴电容与插装电容的自谐振频率,不同电容的近似自谐振频率,注：此处直插式电容管脚长度2.5in，L=3.75nH，表贴式L=1nH。,31,2005 CITY SEMINARShttp:/,电容并联的频率响应,阻抗（）,频率(MHz),10,1,100,1000,0.01uF,100pF,32,200
10、5 CITY SEMINARShttp:/,电容族的典型应用及工作频率范围,33,2005 CITY SEMINARShttp:/,电源平面和接地平面间耦合电容,退耦电容容量的表达式,C=,0 r A,d,式中C是电源平面与接地平面之间的耦合电容（pF）， 0是真空介电常数，1/3610-9F/m=8.8510-12F/m=8.85pF/m， r是电路板介质的相对介电常数，典型值为4.5，A是平型板的面积（m2），D是板间距（m）。,=,A,d,注：电源和接地平面间的过孔的电感会使平面的退耦电容达不到理论预期的效果。,34,2005 CITY SEMINARShttp:/,电源和接地平面的退耦
11、电容的频率特性,阻抗,频率,电源平面和接地平面间的等效退耦电容由于没有等效串联电感，其频率特性近似于理想电容。,35,2005 CITY SEMINARShttp:/,分立式退耦电容的频率特性,阻抗,频率,分立退耦电容因为存在等效串联电感和等效串联电阻，其频率特性存在明显的谐振点。,36,2005 CITY SEMINARShttp:/,分立退耦电容与电源-地平面同时作用,阻抗,频率,分立退耦电容与电源-地平面等效退耦电容并联存在并联谐振。,37,2005 CITY SEMINARShttp:/,分立退耦电容的PCB走线,38,2005 CITY SEMINARShttp:/,分立退耦电容的P
12、CB走线,39,2005 CITY SEMINARShttp:/,PCB走线各种常见对象的电感值,表层线对: 1015nH/inch,退耦电容的过孔对: 0.41nH,平面的电感: 0.1nH/inch2,40,2005 CITY SEMINARShttp:/,降低退耦电容ESL的PCB走线,不好,可以接受,好,非常好,41,2005 CITY SEMINARShttp:/,优化布线后各类退耦电容的ESL,大钽电容，使用4个内孔50mil过孔，电感：4.0nH,小钽电容，使用2个内孔50mil过孔，电感：1.0nH,小陶瓷电容，使用4个内孔50mil过孔，电感：0.8nH,42,2005 CI
13、TY SEMINARShttp:/,退耦电容优化布线的依据,过孔-印制线-电源层-地层组成的环路面积比较大，因此ESL值较大。,过孔-印制线-电源层-地层组成的环路面积比较小，因此ESL值较小。,43,2005 CITY SEMINARShttp:/,储能电容在PCB板上的放置规则,靠近电连接器入口处 连接子板、外设及辅助电路的电源端子附近 大功率数字元件附近 离电源输入端子最远的位置 远离电源输入端子的元件高密度区 紧邻时钟发生电路,44,2005 CITY SEMINARShttp:/,印制线的主要参数计算,45,2005 CITY SEMINARShttp:/,影响PCB线条阻抗的因素,
14、线宽 线条距离参考平面的高度（介质厚度）和介电常数,一阶因素,二阶因素,回路长度 印制线厚度 印制线的截面形状 阻焊层覆盖范围,46,2005 CITY SEMINARShttp:/,微带线参数,W,T,H,47,2005 CITY SEMINARShttp:/,微带线阻抗的计算,微带线阻抗的表达式,Z0=（ ）ln（ ） 对于15W25mil有效,87,r +1.41,式中Z0是特性阻抗，W是线条宽度，T是印制线厚度，H是信号线与参考平面的间距， r 是PCB板材料的介电常数。W、T和H采用一致的单位即可。,5.98H,0.8W+T,Z0=（ ）ln（ ） 对于5W15mil有效,79,r
15、+1.41,5.98H,0.8W+T,注：当W/HW/H0.6时，精度为20%。,48,2005 CITY SEMINARShttp:/,微带线自身电容的计算,微带线电容容量的表达式,C0=,0.67（ r +1.41）,Ln（ ）,式中C0是特性阻抗（pF/单位长度），W是线条宽度，T是印制线厚度，H是信号线与参考平面的间距， r 是PCB板材料的介电常数。,5.98H,0.8W+T,49,2005 CITY SEMINARShttp:/,微带线上信号传输延时的计算,微带线上信号传输延时的表达式,tpd=1.0170.475+0.67r,式中tpd是传输延时（ns/ft）， r 是PCB板材
16、料的介电常数。,50,2005 CITY SEMINARShttp:/,单带状线参数,W,T,H,H,B,51,2005 CITY SEMINARShttp:/,单带状线阻抗的计算,单带状线阻抗的表达式,Z0=（ ）ln（ ）,60,r,式中Z0是特性阻抗，W是线条宽度，T是印制线厚度，H是信号线与参考平面的间距，B是两层参考平面间的介质厚度， r 是PCB板材料的介电常数。W、T和H采用一致的单位即可。,1.9B,0.8W+T,注：W/（H-T）0.35，T/H0.25。,52,2005 CITY SEMINARShttp:/,单带状线自身电容的计算,单带状线电容容量的表达式,C0=,1.4
17、1r,Ln（ ）,式中C0是特性阻抗（pF/in），W是线条宽度，T是印制线厚度，H是信号线与参考平面的间距， r 是PCB板材料的介电常数。,3.81H,0.8W+T,53,2005 CITY SEMINARShttp:/,单带状线上信号传输延时的计算,单带状线上信号传输延时的表达式,tpd=1.017r,式中tpd是传输延时（ns/ft），r 是PCB板材料的介电常数。,54,2005 CITY SEMINARShttp:/,电气长的线条定义,电气长线条的定义：一条印制线的长度足够长，以至于信号的电磁波从源到负载再从回路回到源这个过程在第二个边沿转换之后还在进行。,55,2005 CITY
18、 SEMINARShttp:/,无需端接的最大布线长度,无需端接最大布线长度,Lmax= /2tpd,式中tpd是传输延时（ns/cm）， 是边沿速率，Lmax是最大布线长度。,注：这个长度是往返路径长度，源到负载的路径长度应为Lmax的一半。,56,2005 CITY SEMINARShttp:/,最大无端接线长VS边沿速率,50cm（19.7in）,10cm （3.9in）,5cm （2.0in）,0cm （0.0in）,0.1ns,0.25ns,0.5ns,0.75ns,1.0ns,2.0ns,5.0ns,最大无端接线长,边沿速率,注：材质为FR-4材料,57,2005 CITY SEM
19、INARShttp:/,时钟电路及高速电路的布线,58,2005 CITY SEMINARShttp:/,有关时钟线的布线规则,布线主要规则,时钟线布线应以最短直线为理想目标，同样过孔数量也应尽可能少晶振必须直接安装在PCB上，不得使用插座转接只有与时钟相关的印制线和频率生成电路可以放置在隔离的时钟生成区域内禁止其它线条在相邻的信号布线层靠近或在时钟电路区域下面穿过时钟外壳需接地,59,2005 CITY SEMINARShttp:/,有关时钟线跨越镜像层问题,信号1,信号2,电源,电源地,信号1,信号2,电源,电源地,信号1,信号2,电源,电源地,最佳方案是不跨越,跨越时需要提供RF回路,R
20、F回路有间断,60,2005 CITY SEMINARShttp:/,较差的时钟信号布线拓扑,振荡器,缓冲器,ASIC,高速缓冲存储器,I/O控制器,61,2005 CITY SEMINARShttp:/,较好的时钟信号布线拓扑（电气短）,振荡器,缓冲器,ASIC,高速缓冲存储器,I/O控制器,印制线长度相对于时钟为电气短时较好的布线拓扑。,62,2005 CITY SEMINARShttp:/,较好的时钟信号布线拓扑（电气长）,振荡器,缓冲器,ASIC,高速缓冲存储器,I/O控制器,印制线长度相对于时钟为电气长时较好的布线拓扑。,63,2005 CITY SEMINARShttp:/,高速信
21、号应避免T型走线,电气长线布T型线一般是不允许的。主要是因为在交叉处产生严重的阻抗不连续。如果两条分支线长度不同，就会产生严重的SI问题。如果一定要布T型线，就要保证线非常短，而且两分支线精确同长度。,64,2005 CITY SEMINARShttp:/,高速信号跨越镜像平面沟槽的处理,当布线层紧邻镜像平面被完全分割时（见图例），应尽量避免高速信号跨越这个沟槽。如果必须跨越，那么需要布一条伴随其走线全程的地线。,电源3.3V,电源5V,新增地线,65,2005 CITY SEMINARShttp:/,串 扰,66,2005 CITY SEMINARShttp:/,串扰产生机理,容性耦合感性耦
22、合阻性耦合,串扰产生的机理有三类,67,2005 CITY SEMINARShttp:/,容性耦合产生的串扰,图中Vb为容性后向串扰，Vf为容性前向串扰,源端,负载端,近端,远端,噪声线,被干扰线,Vb,Vf,68,2005 CITY SEMINARShttp:/,感性耦合产生的串扰,图中Vb为感性后向串扰，Vf为感性前向串扰,源端,负载端,近端,远端,噪声线,被干扰线,Vb,Vf,69,2005 CITY SEMINARShttp:/,阻性耦合产生的串扰,源端,负载端,噪声线,被干扰线,70,2005 CITY SEMINARShttp:/,阻性耦合产生的串扰实例（示意图）,71,2005
23、CITY SEMINARShttp:/,微带线串扰的估算,D,H,串扰= =,K,1+（ ）,H,D,2,KH2,H2+D2,式中K与信号上升沿时间和干扰印制线的长度。,72,2005 CITY SEMINARShttp:/,高度不同的两条微带线串扰的估算,D,H2,串扰=,1,1+（ ）,D,H1H2,2,式中D是两条埋入式微带线的中心距离。,H1,73,2005 CITY SEMINARShttp:/,两条微带线串扰的FDTD仿真,100MHz干扰信号及串扰在0.3388ns的分布图，线宽8mil，间距16mil，高度8mil,74,2005 CITY SEMINARShttp:/,防止串
24、扰的设计方法（1）,将器件的逻辑系列按功能分类，严格控制总线结构布局阶段减小元器件的物理间距减小平行布线的线长器件位置远离I/O互连线及其它对耦合敏感的电路区域对控制阻抗的印制线或富含谐波能量的印制线进行终端处理印制线间保持足够的间距以减小感性耦合,防止串扰的设计方法有,75,2005 CITY SEMINARShttp:/,防止串扰的设计方法（2）,相邻布线层采用正交布线，减小容性耦合减小信号层到参考地距离降低线条信号驱动电平和线条阻抗用实心的平面结构隔离必须同向的布线层在层叠分配中将高噪声发射器（时钟、I/O、高速互连线）分割或隔离在不同的布线层在特殊的传输线上加具有频带限制功能的滤波器以
25、清除耦合,防止串扰的设计方法有,76,2005 CITY SEMINARShttp:/,印制线的电场分布（FDTD仿真）,印制线宽度8mil，高度8mil，有效介电常数取4.4，在0.1694ns时单条微带线时在过原点的x-y平面上Ey分布的1000条等值线图 。,77,2005 CITY SEMINARShttp:/,3W规则,W,W,W,W,W,W,3W规则：两条印制线中心间距大于印制线宽度W的3倍。,3W,70%磁通边界,78,2005 CITY SEMINARShttp:/,3W规则（有过孔的情况）,W,W,W,W,W,W,如果两条线间存在过孔，那么需要在3W的基础上增加过孔最大外圈直
26、径的距离。,70%磁通边界,79,2005 CITY SEMINARShttp:/,3W规则（有差分对线条的情况）,差分对线条宽度是由设计者按所需阻抗确定的。另外需注意，平面边缘到印制线边缘的距离应不小于3W。,W,W,2W,2W,3W,3W,80,2005 CITY SEMINARShttp:/,3W规则的应用对象,并不是所有的布线均需要遵循3W规则，要求强制使用3W规则的布线类型有：,时钟线 差分对 视频线 音频线 复位线 或其它需要消除串扰的重要布线,81,2005 CITY SEMINARShttp:/,比3W规则更严酷的规则,如果要求涵盖98%的磁通边界，那么就需要10W的半边宽度。
27、,W,98%磁通边界,82,2005 CITY SEMINARShttp:/,20H规则,20H规则要求： 所有的电源平面的物理尺寸都要比临近的地平面尺寸小20H。,20H规则主要是为降低PCB边沿的RF辐射。20H时，大约有70%的通量被束缚，100H时则是98%。,10H,20H,100H,83,2005 CITY SEMINARShttp:/,端 接,84,2005 CITY SEMINARShttp:/,串联端接,Rs,R0,Z0,RS=Z0-R0,式中R0是源输出阻抗， RS是串联电阻，Z0是传输线特性阻抗。,原理是在源处通过串联电阻吸收负载端传来的反射。,85,2005 CITY
28、SEMINARShttp:/,并联端接,RP,R0,Z0,Rp=Z0,式中RP是并联电阻，Z0是传输线特性阻抗。,原理是在负载处通过并联电阻匹配负载端，使之不发生反射。,86,2005 CITY SEMINARShttp:/,戴维宁网络端接,R2,R0,Z0,Z0 =R1*R2/(R1+R2),式中R1是上拉电阻， R2是下拉电阻，Z0是传输线特性阻抗。,原理是在负载处通过戴维宁网络匹配负载端，使之不发生反射。,R1,87,2005 CITY SEMINARShttp:/,RC端接,R,R0,Z0,R=Z0 =RC2tpd,式中R是并联电阻，C是串联在电阻后的电容。,原理是在负载处通过并联电阻
29、匹配负载端，使之不发生反射，并通过串联电容来消除对电源的大的能量需求。,C,88,2005 CITY SEMINARShttp:/,二极管端接,D2,R0,Z0,式中D1、 R2是2个二极管，一般是肖特基二极管。,原理是在负载处通过电压钳位消除信号过冲。,D1,89,2005 CITY SEMINARShttp:/,各种端接对电源需求的对比,90,2005 CITY SEMINARShttp:/,磁珠的选择,注：为什么电阻很小的磁珠用在直流上有时会有很大压降？,91,2005 CITY SEMINARShttp:/,几个特殊问题,92,2005 CITY SEMINARShttp:/,几个特殊
30、的问题,PCB布线的直角问题I/0独立分区问题静电保护地边缘问题,93,2005 CITY SEMINARShttp:/,仿真与测试,94,2005 CITY SEMINARShttp:/,PCB布线前后电磁干扰仿真工具,共享的印制线阻抗仿真软件,95,2005 CITY SEMINARShttp:/,共享的串扰仿真计算软件ULtraCAD,96,2005 CITY SEMINARShttp:/,是本文作者在博士论文课题中使用Fortran编写的仿真软件，本图是此软件仿真高斯脉冲在微带线中的传播,FDTD仿真,97,2005 CITY SEMINARShttp:/,PCB布线前后电磁干扰仿真工
31、具,Apsim EMI,98,2005 CITY SEMINARShttp:/,电磁辐射及热辐射扫描仪,PCB辐射测试图像,EMC Scanner,99,2005 CITY SEMINARShttp:/,49MHz时钟信号的EMC Scanner测试图,100,2005 CITY SEMINARShttp:/,正确端接时钟信号后辐射明显降低,101,2005 CITY SEMINARShttp:/,DC/DC模块在电源平面上的开关噪声,102,2005 CITY SEMINARShttp:/,本讲义辅助教材,电磁兼容性的印制电路板设计(原书第2版） Printed Circuit Board Design Techniques For EMC Compliance（Second Edition） （美）Mark I. Montrose 著 吕英华 于学萍 张金玲 等译 机械工业出版社,103,2005 CITY SEMINARShttp:/,推荐书籍,104,2005 CITY SEMINARShttp:/,
