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1、PCB制板及产品调试 项目1：电子钟PCB制板及电路调试,电子钟PCB制板及电路调试的典型工作任务分析-学习目标，-学习与工作内容，-学时要求，-教学方法与组织形式说明，-学业评价方式。,电磁兼容的英文为Electromagnetic Compatibility，简称EMC。电磁兼容技术是一门迅速发展的综合性交叉学科，研究PCB设计中的电场与磁场的兼容性。EMC技术涉及的频率范围0400GHz，研究PCB设计中的电场与磁场的兼容性。设备和系统的设计、研制、生产、使用和维护都要运用EMC技术。,10.1 电磁兼容的基本知识 电磁波作为一种资源，已在0400GHz宽频范围内广泛地用于信息技术产品中
2、。伴之而来的电磁干扰也从低频段到微波波段，无孔不入地辐射或传导至设备系统以及周围的环境，给设备甚至社会生产活动和人体健康带来了越来越严重的危害。10.1.1 电磁兼容及相关概念 设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。,1、设备或系统产生的电磁干扰，不应对周围造成不能承受的影响；也不应对周围环境造成不能承受的“污染”；2、设备或系统对来自周围的电磁干扰，应具有足够的防御能力。研究内容：电磁兼容设计、电磁兼容测试、电磁兼容标准及EMC预测。EMC的三要素：干扰源、耦合通路和敏感体。切断任何一项都可解决电磁兼容问题。,电磁环境是由空间、时间和频谱三大
3、要要素组成的。2.电磁兼容相关概念电磁干扰（EMI）会引起设备、传输通道或系统性能下降。电子系统受干扰的路径主要是通过电源、信号线或控制电缆、场渗透，最后经过天线直接进入；,另外还有电缆耦合（其它设备的传导干扰），电子系统内部场耦合（其它设备的辐射干扰），电子外部耦合到内部场，宽带发射机天线系统，外部环境场等等。电磁骚扰（Electromagnetic Disturbance）是指任何可能引起设备、装置或系统性能降低或者对有生命或者无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰有下列三种表现表形式：电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。,电磁辐射：是以电磁波形式由波源发射到空间的现象或以电磁波的
4、形式存在于空间的现象。“电磁辐射”一词的含义有时也可引伸，电磁感应现象也包含在内。电磁噪声（Electromagnetic Noise）是一种明显不传送信息的时变电磁现象，它可与有用信号叠加或组合，有时也称为电磁环境。,共模干扰(CM)和差模干扰(DM)：共模干扰存在于电源任何一相线与大地或中线与大地间。共模干扰有时也称纵模干扰、不对称干扰或接地干扰，是载流导体与大地之间的干扰。差模干扰存在于电源相线与中线及相线与相线之间。差模干扰也称常模干扰、横模干扰或对称干扰，这是载流导体之间的干扰。共模干扰表明干扰是由辐射或串扰耦合到电路中来的。而差模干扰则表明干扰是源于同一条电源电路的。,高能量、高频
5、率、高密度的发射源增多，会使系统的辐射加重，干扰信号增强。电磁辐射污染己被世界卫生组织列为必须严加控制的现代公害之一。据调查，长期接受高频电磁辐射，会对眼睛、神经系统、生殖系统、心血管系统、消化系统及骨组织造成严重的不良影响，甚至危及生命。,10.1.2 电磁兼容的三要素 电磁兼容的三要素是干扰源、耦合途径、敏感设备。切断以上任何一项都可解决电磁兼容问题。解决电磁兼容问题要从以下方面入手研究：电磁骚扰源，包括其频域和时域特性、产生的机理以及抑制措施等；电磁骚扰传播特性；敏感设备抗干扰的能力；电磁兼容性问题的测量方法；系统内及系统间的电磁兼容性。,1干扰源传导干扰、空间干扰2耦合途径 电磁干扰的
6、传播途径有通过电源线、信号线、地线、大地等途径传播的“传导干扰(Conducted Interference)，也有通过空间直接传播的“空间干扰”(Radiated Interference)。前者归属于频率较高的部分(30MHz)，后者则是较低频的部分(30MHz)。传导干扰是指一个电网络信号通过导电介质，耦合(干扰)到另一个电网络。,比如开空调时，室内的荧光灯会出现瞬间变暗的现象，这是因为大量电流流向空调，电压急速下降，利用同_电源的荧光灯受到影响。通常采用的解决方法是通过去耦来消除传导性干扰，比如给发生源及被干扰设备的电源线安装滤波器，或者将信号线改为光纤。辐射干扰是指干扰源通过空间，把
7、信号耦合(干扰)到另一个电网络。,在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的管脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。由于传播途径是空间，解决辐射干扰的方法除前面所讲的滤波之外，还要对设备进行屏蔽方能有效。辐射发射有两种基本类型：差模(DM)和共模(CM)。一般设备的电源线和通信线路，这两根导线作为往返线路输送电力或信号。,干扰电压和电流分为两种：一种是两根导线分别作为往返线路传输；另一种是两根导线作去路，地线作返回路传输。前者就是“差模”，后者是“共模”。干扰信号侵入线路和接地之间，干扰电流在两条线上各流过二分之一，
8、以地为公共回路，这种干扰是比较容易消除的。,干扰电压和电流分为两种：一种是两根导线分别作为往返线路传输；另一种是两根导线作去路，地线作返回路传输。前者就是“差模”，后者是“共模”。干扰信号侵入线路和接地之间，干扰电流在两条线上各流过二分之一，以地为公共回路，这种干扰是比较容易消除的。,但在实际电路中，由于两根导线终端与地线之间的阻抗不平衡，会出现模式的相互转换。即通过导线传递的一种模式在终端反射时，使共模信号干扰会转化为不易消除的串扰干扰。通常这两种干扰是同时存在的，由于线路阻抗的不平衡，两种干扰在传输中还会相互转化，所以情况十分复杂。,总而言之，当设备和导线的长度比波长短时，主要问题是传导干
9、扰；当它们的尺寸比波长大时，主要问题是辐射干扰。3提高设备抗耦合干扰性能(1)电路性耦合 针对电路性耦合的电磁兼容设计方法是：对共电源内阻产生的电磁干扰，可使用不同的电源分别供电。对共回路导线产生的电磁干扰，可以对导线阻抗加以限制或去耦。共回路导线的阻抗包括电阻和电感。,a限制电阻的方法：增大共回路导线的截面积，减少共回路导线的长度和降低接触电阻。b限制电感的方法：减小共回路导线的长度和导线间的距离。c电路去耦的方法：去掉共回路导线，而将不同的回路仅在一点接地。对共地阻抗产生的电磁干扰，可以想办法降低共地阻抗。电位隔离。电位隔离有机械、电磁、光电和浮地4种隔离方式，其实质是人为地造成电位隔离，
10、以阻止电路性耦合产生的电磁干扰。,(2)电容性耦合 任何两个导体之间都存在着电容。针对电容性耦合的电磁兼容设计方法是：尽可能减小干扰源U1的幅值和干扰源的变化速度。耦合电容设计得尽可能小：加大两个导体间的距离，缩短两个导体的长度，避免两个导体平行走线。,屏蔽 屏蔽的目的：切断干扰源和被干扰对象之间的电力线。屏蔽的方法：采用与干扰源基准电位相连的屏蔽或者与被干扰对象基准电位相连的屏蔽，或者上述两者都用。当导线的长度小于工作信号波长的l20时，采用单点接地，否则采用多点接地。接地的长度要尽可能短。,平衡 平衡的目的：当干扰源和被干扰对象的基准电位是相互独立时，可以采用平衡的方法使干扰源和被干扰对象
11、的耦合电容平衡，以免除电容性耦合的电磁干扰。平衡的方法：干扰源和被干扰对象均采用绞合导线；采用四芯导线使干扰源和被干扰对象的导线交叉对称。,(3)电感性耦合 任何两个回路之间存在着互感。互感值与介质的磁导率触成正比，并与两个回路的几何尺寸有关。针对电感性耦合的电磁兼容设计方法是：尽可能减小干扰源电流的变化速度。尽可能减小两个回路的互感：加大两个回路间的距离；缩短两个回路的长度；避免两个回路平行走线；缩小两个回路的面积，并降低重合度。,屏蔽、屏蔽的目的：切断干扰源和被干扰对象之间的磁力线。屏蔽的方法：采用铁磁性导体的静态磁屏蔽，采用良导体感应涡流的动态磁屏蔽。平衡 平衡的目的：采用平衡的方法减小
12、或免除电感性耦合的电磁干扰。,(4)辐射性耦合 辐射性耦合是电磁场通过空间耦合到被干扰对象。针对辐射性耦合的电磁兼容设计方法是：采用空间分离的方法，把容易相互干扰的设备和导线安排得远一些，并调整电磁场矢量方向，使接收设备耦合的干扰电磁场最低。采用时间分离方法，把产生辐射的设备和易接收辐射的设备安排在不同的时间工作。,采用频率分离方法，使产生辐射的设备和易接收辐射的设备的工作频率不同。采用屏蔽措施，用屏蔽材料将被干扰对象封闭起来，使其内部电磁场强度低于允许值。屏蔽的效果用屏蔽系数来衡量。减小天线的有效高度。减小环线面积。,1013 印刷电路板中的电磁兼容问题及防治措施 电子产品越来越趋向高速、宽
13、带、高灵敏度、高密度和小型化，这种趋势导致了EMC问题更加严重。高速数字电路PCB是一个典型的代表，PCB的电磁兼容问题是目前高速PCB设计中急待解决的技术难题。电磁兼容的防治是一项系统工程,应该在设备和系统设计、研制、生产、使用与维护的各阶段都予以充分的考虑和实施。,电磁兼容对设备的要求有两个方面：一是设备工作时不会对外界产生不良的电磁干扰影响；另一个是不能对外界的电磁干扰过度敏感。前一方面的要求称为干扰发射(EMI)要求，后一个方面的要求称为敏感度(EMS)或抗扰度要求。对设备的电磁兼容要求。可以进一步分为传导发射、辐射发射、传导敏感度(抗扰度)、辐射敏感度(抗扰度)。,1电磁兼容问题（1
14、）印刷电路板中带状线、电线、电缆间的串音和电磁耦合 印刷电路板中带状线、电线、电缆间的串音是印刷电路板中存在的最难克服的问题之一。这里所说的串音是较广意义上的串音，不管其源信号是有用信号还是噪声，串音用导线的互容和互感来表示。当在EMC预测和解决EMI问题时，首先应确定发射源的耦合途径是传输的、辐射的、还是串音的。,一般来说，在高频时电容耦合是主要的，但如果源阻抗或接收器之一或两者都采用屏蔽电缆并在屏蔽层两端接地，则磁场耦合将是主要的。另外，低频一般有较低的电路阻抗，电感耦合是主要的。通过串音预测，可以保证PCB上数字和模拟信号适当的间距。,（2）数字电路PCB使电子产品的电磁辐射加重 计算机
15、等电子设备的电路一般都是用数字电路PCB实现的，在很多情况下，数字电路PCB产生的辐射问题要比模拟电路PCB更严重。由于数字电路的驱动电流较大，致使辐射的强度也较大；而高速时钟脉冲和数字信号又使得辐射频带加宽。,PCB电磁辐射分两种基本类型：差模辐射与共模辐射。差模辐射的特点取决于闭合环路中电流特性；共模辐射由对地的干扰(噪声)电压引起。电磁辐射主要表现在：对周围的电子系统构成窄带与宽带干扰；另一方面造成潜在的信息泄漏问题。,影响PCB电磁辐射的因素主要是PCB的结构和激励因素：PCB的结构不同，其辐射效果也不同，传输带的长度、回路面积、地线走向、整体布局等都会影响到辐射效果。显然，PCB的布
16、局设计将直接关系到整机电磁辐射的强弱。在确定的激励状态下，整机系统辐射水平的抑制和降低，必须从PCB的辐射分析及布局的优化设计着手。,布线结构的合理设计对降低PCB辐射也具有关键的作用。消除辐射干扰最有效的方法是采取屏蔽，屏蔽噪声源或屏蔽敏感电路。除屏蔽方法外，还可以通过改变电路设计来提高系统的抗干扰能力。2电磁兼容的防治措施 解决电磁兼容问题应从产品的开发阶段开始，并贯穿于整个产品或系统的开发、生产过程。国内外大量的经验表明，在产品或系统的研制过程中越早注意电磁兼容问题，越可以节约人力与物力。,在控制方法上，除了采用众所周知的抑制干扰传播的技术，如屏蔽、接地、搭接、合理布线等方法以外还可以采
17、取回避和疏导的技术处理，如空间方位分离、频率划分与回避、滤波、吸收和旁路等等，有时这些回避和疏导技术简单而巧妙，可以代替成本费用昂贵而质量体积较大的硬件措施，收到事半功倍的效果。,电磁兼容设计的关键技术是对电磁干扰源的研究，从干扰源处控制其电磁发射。控制干扰源的发射，需要广泛地应用屏蔽(包括隔离)、滤波和接地技术。（1）屏蔽 屏蔽主要是运用各种导电材料，制成壳体与大地连接，以切断静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合的电磁噪声传播途径。,电磁屏蔽是电磁兼容防治的重要手段。电磁屏蔽是以金属隔离的原理来控制电磁干扰由一个区域向另一区域感应和辐射传播的方法。屏蔽一般分为两种类型：一类是静电屏蔽，主要用于
18、防止静电场和恒定磁场的影响，另一类是电磁屏蔽，主要防止交变电场、交变磁场以及防止交变电磁场的影响。静电屏蔽应具备两个基本要点，即完善的屏蔽体和良好的接地。,（2）隔离 隔离主要是运用继电器、隔离变压器或光电隔离器等器件来切断电磁噪声传导形式的传播途径。其特点是将两部分电路的地线系统分隔开来，切断通过阻抗进行耦合的可能。在一个电子系统中，通道之间的信号辐射会产生电磁干扰。如果是两个图像通道的信号干扰，会产生图像叠加、背景虚像等现象。如果是两个音频通道的信号干扰，则会出现串音现象。在印刷电路板上，信号线长距离高密度平行，就有可能出现传输通道干扰。改善传输通道干扰的方法是在设计PCB板时，高频信号之
19、间的布线尽量少平行，有条件的要插入地线。,（3）滤波滤波是在频域上处理电磁噪声的技术，为电磁噪声提供一个低阻抗通路，以抑制电磁干扰。例如，电源滤波器对50Hz的电源频率呈现高阻抗，而对电磁噪声频谱呈现低阻抗。频率管理是滤波的重要手段，是指运用干扰抑制滤波技术来选择信号和抑制干扰。为了实现这两在功能而设计的网络都称都称为滤波器。,线路板上的导线，是最有效的接收和辐射天线。由于导线的存在，往往会在线路板上产生过强的电磁辐射。同时，这些导线又能接受外部的电磁干扰，使电路对干扰很敏感。在导线上使用信号滤波器是解决高频电磁干扰辐射和接收很有效的方法。脉冲信号的高频成分很丰富，这些高频成分可以借助导线辐射
20、，使线路板的辐射超标。信号滤波器的使用可使脉冲信号的高频成分大大减少。,电源线是电磁干扰传入设备和传出设备的主要途径。通过电源线，电网上的干扰可以传入设备，干扰设备的正常工作。（4）接地 接地包括接地体的设计、地线的布置、接地线在各种不同频率下的阻抗等内容，不仅涉及产品或系统的电气安全，而且关联着电磁兼容和其测量技术。,102 印刷电路板中的电磁兼容设计方法 印刷电路板(PCB)是电子产品中电路元件和器件的支撑件，PCB中的电磁兼容性直接决定着产品开发是否成功，决定着产品抗干扰能力的高低。要使电子电路获得最佳性能，在进行PCB设计时需要深入分析PCB设计的一般原则及研究电磁兼容性设计的一般方法
21、。,常规的EMI控制技术一般包括：元器件的合理布局、连线的合理控制、电源线、接地、滤波电容的合理配置等。PCB的基材及PCB层的选择、电子元件及电子元件的电磁特性、元件间互连线的长宽等都制约着PCB的电磁兼容性。无论设备产生电磁干扰发射还是受到外界干扰的影响，或者电路之间产生相互干扰，电路板都是问题的核心。,1021 PCB材料的选择与电磁兼容性 根据产品的实际需要及成本综合考虑PCB层数的选择，一般来说，多层板能够较好地控制EMI，但太多的层也增大了电磁管理的难度。多层PCB的电磁兼容设计要采用绝缘常数值按层次严格受控的高性能绝缘电路板。这种方法有利于对绝缘材料与邻近布线之间的电磁场进行有效
22、管理。,1022 集成电路芯片的电磁兼容问题 实际工作中，设计工程师通常认为自己能够接触到的EMC问题就是PCB板级设计。然而在考虑EMI控制时，首先应该考虑对集成电路芯片的选择。如果能够深入了解集成电路芯片的内部特征，可以简化PCB和系统级设计中的EMI控制。,1集成电路芯片的EMI来源 PCB中集成电路EMI的来源主要有：数字集成电路从逻辑高到逻辑低之间转换或者从逻辑低到逻辑高之间转换过程中，输出端产生的方波信号频率导致的EMI；信号电压和信号电流电场和磁场；IC芯片自身的电容和电感等。2IC封装特征在电磁干扰控制中的作用 IC封装通常包括硅基芯片、一个小型的内部PCB以及焊盘。硅基芯片安
23、装在小型的PCB上，通过绑定线实现硅基芯片与焊盘之间的连接，在某些封装中也可以实现直接连接。,1023 滤波设计 对于任何设备而言，滤波都是解决电磁干扰的关键技术之一。因为设备中的导线是效率很高的接收和辐射天线，设备产生的大部分辐射发射都是通过各种导线实现的。滤波器可以抑制交流电源线上输入的干扰信号及信号传输线上感应的各种干扰。滤波器可分为交流电源滤波器、信号传输线滤波器和去耦滤波器。,交流滤波器的安装及布线直接影响滤波器的性能，在其安装布线中应注意以下几点：(1)滤波器应安装在机柜底部离设备电源入口尽可能近的部位，并加以绝缘，不要让未经过滤波器的电源线在机柜内迂回。(2)电源滤波器的外壳必须
24、用截面积大的导线以最短的距离与机壳连为一体，并尽量使电源滤波器的接地点与机壳接地点保持最短的距离。(3)机壳内的其他电器或电磁开关等应从滤波器的前端引线接到负载，或为这些干扰源单独加装滤波器。,1024 电磁兼容设计中的布局与布线PCB设计中的布局，是指PCB上电子元件及配件的排列方式。对PCB上元器件合理规划安放是布线的基础，原件布局不仅会影响PCB板上连接线的布通率，而且影响到PCB的电磁兼容性及整个产品的质量。良好的电磁兼容设计依赖PCB设计工程师对于产品设计原理、布线规则、电磁兼容控制技术的深刻理解。,在PCB设计中，布局是一个复杂的工作，元器件布局的自动化程度仍然较低，人工干预的程度
25、较高。PCB中元器件的布局应从两个层面上考虑，一个是平面的，即通常在PCB设计中提到的PCB布局；另外一个是立体的元器件布局，既要考虑到元件的大小、所占空间，又要考虑到元器件的密度。,电路板系统的布线包括：芯片到电路板、PCB板内互连以及PCB与外部器件之间的三类互连。在PCB设计中，互连点处的电磁特性是工程设计面临的主要问题之一，涉及器件安装方法、布线的隔离以及减少引线电感的措施等。,1高频数字电路PCB的电磁兼容设计中的布局与布线 高频数字电路PCB布线规则如下。高频数字信号线要用短线。主要信号线最好集中在PCB板中心。时钟发生电路应在板中心附近，时钟扇出应采用菊链式或并联布线。电源线尽可
26、能远离高频数字信号线或用地线隔开，电路的布局必须减小电流回路，电源的分布必须是低感应的(多路设计)。,输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线，以免发生反馈耦合。PCB导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的黏附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为005 mm、宽度为115 mm时，通过2 A的电流，温度不会高于3。因此，导线宽度为15mm可满足要求。对于集成电路，尤其是数字电路，通常选00203mm导线宽度。当然，只要允许，还是尽可能用宽线，尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路，尤其是数字电路，只要工艺允许，可使间距小至5
27、8mm。,印刷线路板的布线要注意以下问题：专用零伏线，电源线的走线宽度大于等于l mm；电源线和地线尽可能靠近，整块印刷板上的电源与地要呈“井”字形分布，以便使分布线电流达到均衡；要为模拟电路专门提供一根零伏线；为减少线间串扰，必要时可增加印刷线条间距离，注意安插一些零伏线作为线间隔离；,印刷电路的插头也要多安排一些零伏线作为线间隔离；特别注意电流流通中的导线环路尺寸；如有可能在控制线(于印刷板上)的入口处加接R-C去耦，以便消除传输中可能出现的干扰因素；印刷弧上的线宽不要突变，导线不要突然拐角(90。)，传输线拐角要采用45。角，以降低回损。,突出引线存在抽头电感，要避免使用有引线的组件。高
28、频环境下，最好使用表面安装组件。在确定特殊元件的位置除遵循常规原则外，在电磁兼容性设计中还要遵循以下原则：尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件距离不能太近，输入和输出元件应尽量远离。某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，避免放电引出意外短路。,根据电路的功能单元对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上尽量减少和缩短各元器件之间的引线
29、和连接。在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。,高速PCB的设计方法必须能够处理在较高频段处产生的较强电磁场效应。这些电磁场能在相邻信号线或PCB线上感生信号，导致令人讨厌的串扰(干扰及总噪声)，并且会损害系统性能。回损主要是由阻抗不匹配造成。高回损有两种负面效应：一是信号反射回信号源会增加系统噪声，使接收机更加难以将噪声和信号区分开来；二是任何反射信号基本上都会使信号质量降低，因为输入信号的形状出现了变化。,2混合信号电路PCB的电磁兼容设计中的布局与布线混合信号电路PCB是指PCB中含有模拟电路和数字电
30、路的PCB，混合信号电路PCB的设计很复杂，元器件的布局、布线以及电源和地线的处理将直接影响到电路性能和电磁兼容性能。,(1)混合信号电路PCB的电磁兼容设计中的布线原则遵守常规的布线规则。在电路板的所有层中，数字信号只能在电路板的数字部分布线。在电路板的所有层中，模拟信号只能在电路板的模拟部分布线。实现模拟和数字电源分割。布线不能跨越分割电源之间的间隙。必须跨越分割电源之间间隙的信号线要位于紧邻大面积地的布线层上。分析返回地电流实际流过的路径和方式。,(2)混合信号电路PCB的电磁兼容设计中的布局原则 将PCB分区为独立的合理的模拟电路区和数字电路区。遵循常规的元器件布局原则。AD转换器跨分
31、区放置。电源和地线单独引出，电源供给处汇集到一点，不要对地进行分割，在电路板的模拟部分和数字部分下面敷设统一地。,在混合信号电路PCB设计中采用统一地，通过数字电路和模拟电路分区以及合适的信号布线，通常可以解决一些比较困难的布局布线问题，同时也不会产生因地分割带来的一些潜在的麻烦。在这种情况下，元器件的布局和分区就成为决定设计优劣的关键。如果布局布线合理，数字地电流将限制在电路板的数字部分，不会干扰模拟信号。,103 屏蔽与搭接设计 屏蔽就是对空间区域进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波的感应和辐射。具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场
32、向外扩散，防止外界电磁场的影响。,电磁屏蔽的技术原理主要有两种：一是反射，由于空气和金属屏蔽的电磁阻抗不同，使入射电磁电波产生反射作用。二是吸收，进入金属屏蔽内的电磁波在金属屏蔽内传播时，由于衰减而产生吸收作用。屏蔽按机理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。,10-3-1 电场屏蔽 1屏蔽机理 将电场感应看成分布电容间的耦合。一般采用电导率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体接地，使电力线在此终止，因而电场不会泄漏到屏蔽体外部。2设计要点（1）屏蔽板靠近受保护物，同时接地良好；（2）屏蔽板的形状对屏蔽效能的高低有明显影响，全封闭的金属盒最好，但工程中很难做到；（3）电场屏蔽以反射为主，以良导体为好，
33、屏蔽体的厚度不宜过大，而以结构强度为主要考虑因素。,10-3-2 磁场屏蔽 磁场屏蔽通常是指对直流或低频磁场的屏蔽，其效果比电场屏蔽和电磁场屏蔽要差得多。1屏蔽机理 主要是依靠高导磁材料所具有的低磁阻，给低频磁通提供一个闭合回路，将其限制在屏蔽体内，使得屏蔽体内部的磁场大为减弱。2设计要点（1）选用高导磁材料，如坡莫合金：（2）增加屏蔽体的厚度，同时要与设备的重量相协调，减小屏蔽体的磁阻；,（3）被屏蔽的物体不要紧靠屏蔽体，以尽量减小通过被屏蔽物体体内的磁通；（4）注意屏蔽体的结构设计，接缝、通风孔等均可能增加屏蔽体的磁阻，从而降低屏蔽效果；（5）对于强磁场的屏蔽可采用双层磁屏蔽体的结构。对要
34、屏蔽外部强磁场的情况，则屏蔽体的外层选用不易饱和的材料，如硅钢；而内部可选用容易达到饱和的高导磁材料，如坡莫合金等。若需接地时，可选用非铁磁材料(如铜、铝)做支撑件。,10-3-3 电磁场屏蔽 电磁场屏蔽是利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播的一种措施。1电磁场屏蔽的机理（1）当电磁波到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续，对入射波产生反射。这种反射不要求屏蔽材料必须有一定的厚度，只要求交界面上的不连续。（2）未被表面反射掉而进入屏蔽体的能量，在体内向前传播的过程中，被屏蔽材料所衰减，也就是所谓的吸收。,（3）在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量，传到材料的另_一表面时，遇到金属一空气阻抗
35、不连续的交界面，会形成再次反射，并重新返回屏蔽体内。这种反射在两个金属的交界面上可能有多次的反射。总之，电磁屏蔽体对电磁的衰减，主要是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而消除高频磁场干扰的。如果屏蔽体不完整，则涡流的效果降低，导致电磁场泄漏，屏蔽效果将大打折扣。,2结构材料（1）适用于底板和机壳的材料大多数是良导体，如铜、铝等，可以屏蔽电场。主要的屏蔽机理是反射信号而不是吸收。（2）磁场的屏蔽需要铁磁材料，如高导磁率合金和铁。主要的屏蔽机理是吸收而不是反射。（3）强电磁环境中，要求材料能屏蔽电场和磁场两种成分一因此需要结构上完好的铁磁材料。屏蔽效率直接受材料的厚度以及
36、搭接和接地方法好坏的影响。（4）对于塑料壳体，应在其内壁喷涂屏蔽层，或在汽塑时掺入金属纤维。,10-3-4 搭接 1在底板和机壳的每一条缝隙和不连续处要尽可能好地搭接。保证接缝处金属对金属的接触，以防止电磁能的泄漏和辐射。2在可能的情况下，接缝应焊接；在条件受限制的情况下，可用点焊、小间距的铆接和用螺钉来固定。3在不加导电衬垫时，螺钉间距一般应小于最高工作频率的1，至少不大于l20波长。用钉或铆接进行搭接时，应首先在缝的中部搭接好，然后逐渐向两端延伸，以防金属表面的弯曲，保证紧固有足够的压力，以便在有变形应力、冲击、震动时保持表面接触。,4接缝不平整的地方或可移动的面板处，必须使用导电衬垫或指
37、形弹簧材料。5选择高导电率的和弹性好的衬垫。选择衬垫时要考虑结合处使用的频率。选择硬韧性材料做成的衬垫，以便划破金属上的任何表面。保证同衬垫材料配合的金属表面没有任何非导电保护层。6当需要活动接触时，使用指形压簧，并要注意保持弹性指簧的压力。7导电橡胶衬垫用在铝金属表面时，要注意电化腐蚀作用。纯银填料的橡胶将出现最严重的电化腐蚀。银镀铝填料的导电橡胶是盐雾环境下用于铝金属配合表面的最好衬垫材料。,10-3-5 穿透和开口 1要注意由于电缆穿过机壳使整体屏蔽效能降低的程度。典型的未滤波的导线穿过屏蔽体时，屏蔽效能降低30dB以上。2电源线进入机壳时，全部应通过滤波器盒。滤波器的输入端最好能穿出到
38、屏蔽机壳外；若滤波器结构不宜穿出机壳，则应在电源线进入机壳处专为滤波器设置一个隔离舱。信号线、控制线进穿出机壳时，要通过适当的滤波器。具有滤波插针的多芯连接器适于这种场合使用。,10-3-5 穿透和开口 1要注意由于电缆穿过机壳使整体屏蔽效能降低的程度。典型的未滤波的导线穿过屏蔽体时，屏蔽效能降低30dB以上。2电源线进入机壳时，全部应通过滤波器盒。滤波器的输入端最好能穿出到屏蔽机壳外；若滤波器结构不宜穿出机壳，则应在电源线进入机壳处专为滤波器设置一个隔离舱。信号线、控制线进穿出机壳时，要通过适当的滤波器。具有滤波插针的多芯连接器适于这种场合使用。,104 电源的电磁兼容设计供电电源常由于负载
39、的通断过渡过程、半导体器件的非线性、脉冲设备及雷电的耦合等因素，而成为电磁干扰源。在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。当电路从一种状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。,1041 电源的噪声1电源噪声的来源在PCB中由电源和地造成的电磁兼容问题主要有两种，一种是电源噪声，即是在该数字电路系统中，DSP电路、CPU、动态存储器件和其他数字逻辑电路在工作过程中逻辑状态高速变换，造成系统电流和电压变化而产生的噪声，温度变化时的直流噪声以及供电电源本身产生的噪声等。另一种是地线噪声，即在系统内，如果在各部分的地线之间出现电位差或者存在接地阻抗便会引起接地
40、噪声。,2电源噪声的影响在众多的电子产品中大量地应用了数字器件、模拟器件及数字模拟混合器件，如DSP芯片、CPU、动态RAM、DA变换器和其他数字逻辑器件等，当设备工作时这些器件同时工作会使电路板内的电源电压和地电平波动，导致信号波形产生尖峰过冲或衰减震荡，造成数字IC电路的噪声容限下降，从而引起误动作,1042 电源的电磁兼容设计方法根据印制线路板电流的大小，尽量加大电源线宽度，减少环路电阻。同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。,1采用交流电源滤波器 由于交流电源滤波器是低通滤波器，不妨碍低频电能的通过，而对高频电磁干扰呈高阻状态，有较强的抑制能力。使用
41、交流电源滤波器时，应根据其两端阻抗和要求的插入衰减系数选择滤波器的型式。要注意其承受电压和导通电流的能力，屏蔽与机壳要电气接触良好，地线要尽量短，截面足够大，进出线要远离，而且滤波器应尽量靠近供电电源。,2采用电源变压器加静电屏蔽 由于电源变压器一、二次侧问存在分布电容，进入电源变压器一次侧的高频干扰能通过分布电容耦合到电源变压器的二次侧。在电源变压器的一、二次侧间增加静电屏蔽后，该屏蔽与绕组间形成新的分布电容。将屏蔽接地，可以将高频干扰通过这一新的分布电容引入地，从而起到抗电磁干扰的作用。静电屏蔽应选择导电性好的材料，且首尾端不可闭合，以免造成短路。,3脉冲电压的吸收 对脉冲电压的电磁干扰可
42、以采用压敏电阻、固体放电管或瞬态电压抑制二极管来吸收。当脉冲电压吸收器件承受一个高能量的瞬态电压脉冲时，其工作阻抗能够立即降到很低，允许通过很大的电流、吸收很大的功率，从而将电压钳制在允许的范围内。,1043 电源供电电路设计中的退耦电容 电源供电电路电磁兼容设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的退耦电容。退耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，在安装时应紧靠IC相应管脚或相应电路焊接。,退耦电容的一般配置原则是：电源输入端跨接10100uF的电解电容器。如有可能，接100uF以上的更好。原则上每个集成电路芯片都应布置一个001 uF的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每48个芯片
43、布置一个110 uF的钽电容。对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间接入退耦电容。电容引线不能过长，尤其是高频旁路电容引线更应短。,在印制线路板中有接触器、继电器、按钮等元件时，操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R取12 k，C取2247uF。CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源。使用逻辑电路时凡能不用高速逻辑电路的就不用；在电源与地之间加去耦电容；注意长线传输中的波形畸变；用R-S触发器作为按钮与电子线路之间配合的缓冲。,因为地线的阻抗总不会是零，当一个电流通过有限阻抗
44、时，就会产生电压降。因此，应该将地线上的电位想像为大海中的波浪一样，此起彼伏。许多电磁干扰问题是由地线产生的，因为地线电位是整个电路工作的基准电位，如果地线设计不当，地线电位就不稳，就会导致电路故障。地线的电磁兼容设计的目的是要保证地线电位尽量稳定，从而消除干扰现象。,1051 地线的阻抗 地线的阻抗引起的地线上各点之间的电位差能够造成电路的误动作，用欧姆表测量地线的电阻时，地线的电阻往往在毫欧姆级，电流流过这么小的电阻时为什么会产生这么大的电压降，导致电路工作的异常。,要明白这个问题，首先要区分开导线的电阻与阻抗两个不同的概念。电阻指的是在直流状态下导线对电流呈现的阻抗，而阻抗指的是交流状态
45、下导线对电流的阻抗，这个阻抗主要是由导线的电感引起的。任何导线都有电感，当频率较高时，导线的阻抗远大于直流电阻，表10-5-1给出的数据说明了这个问题。在实际电路中，造成电磁干扰的信号往往是脉冲信号，脉冲信号包含丰富的高频成分，因此会在地线上产生较大的电压。对于数字电路而言，电路的工作频率是很高的，因此地线阻抗对数字电路的影响是较大的。,如果将10 Hz时的阻抗近似认为是直流电阻，可以看出当频率达到10 MHz时，对于1 m长导线，它的阻抗是直流电阻的1000倍至10万倍。因此对于射频电流，当电流流过地线时，电压降是很大的。增加导线的直径对于减小直流电阻是十分有效的，但对于减少交流阻抗的作用很
46、有限。在电磁兼容中，人们最关心的交流阻抗。为了减少交流阻抗，一个有效的办法是多根导线并联。,当两根导线相距较远时，它们之间的互感很小，总电感相当于单根导线电感的一半。因此可以通过多条接地线来减小接地阻抗。但要注意的是，多根导线之间的距离不能过近。,1052 地线的干扰机理 由于地线阻抗的存在，当电流流过地线时，就会在地线上产生电压。当电流较大时，这个电压可以很大。例如附近有大功率电器启动时，会在地线中流过很强的电流。这个电流会在两个设备的连接电缆上产生电压。由于电路的不平衡性，每根导线上的电流不同，因此会产生差模电压，对电路造成影响。由于这种干扰是电缆与地线构成的环路电流产生的，因此成为地环路
47、干扰。地环路中的电流还可以由外界电磁场感应出来。,公共阻抗干扰，当两个电路共用一段地线时，由于地线的阻抗，一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制。这样一个电路中的信号会耦合进另一个电路，这种耦合称为公共阻抗耦合。公共阻抗耦合，在数字电路中，由于信号的频率较高，地线往往呈现较大的阻抗。这时，如果存在不同的电路共用一段地线，就可能出现公共阻抗耦合的问题。,1053 地线干扰对策1地环路对策 从地环路干扰的机理可知，只要减少地环路中的电流就能减少地环路干扰。如果能彻底消除地环路中的电流，则可以彻底解决地环路干扰的问题。因此，有以下几种解决地环路干扰的方案。,(1)将一端的设备浮地 如果将一端电
48、路浮地，就切断了地环路，因此可以消除地环路电流。但有两个问题需要注意，一个是出于安全的考虑，往往不允许电路浮地。这时可以考虑将设备通过一个电感接地。这样对于50 Hz的交流电流设备接地阻抗很小，而对于频率较高的干扰信号，设备接地阻抗较大，减小了地环路电流。但这样做只能减小高频干扰的地环路干扰。,(2)使用变压器实现设备之间的连接 利用磁路将两个设备连接起来，可以切断地环路电流。但要注意，变压器初次级之间的寄生电容仍然能够为频率较高的地环路电流提供通路，因此变压器隔离的方法对高频地环路电流的抑制效果较差。(3)使用光隔离器 另一个切断地环路的方法是用光实现信号的传输。这可以说是解决地环路干扰问题
49、的最理想方法。用光连接有两种方法，一种是用光耦器件，另一种是用光纤连接。,2消除公共阻抗耦合 消除公共阻抗耦合的途径有两个，一个是减小公共地线部分的阻抗，这样公共地线上的电压也随之减小，从而控制公共阻抗耦合。另一个方法是通过适当的接地方式避免相互干扰的电路共用地线，一般要避免强电电路和弱电电路共用地线，数字电路和模拟电路共用地线。,减小地线阻抗的核心问题是减小地线的电感。这包括使用扁平导体做地线，用多条相距较远的并联导体接地线。对于印刷电路板，在双层板上布地线网格能够有效地减小地线阻抗，在多层板中专门用一层做地线虽然具有很小的阻抗，但这会增加线路板的成本。,通过适当接地方式避免公共阻抗的接地方
50、法是并联单点接地，如图10-5-1所示。并联接地的缺点是接地的导线过多。因此在实际中，没有必要所有电路都并联单点接地，对于相互干扰较少的电路，可以采用串联单点接地。例如，可以将电路按照强信号、弱信号、模拟信号、数字信号等分类，然后在同类电路内部用串联单点接地，不同类型的电路采用并联单点接地，构成串并联单点接地，如图10-5-2所示。,地线造成电磁干扰的主要原因是地线存在阻抗，当电流流过地线时，会在地线上产生电压，这就是地线噪声。在这个电压的驱动下，会产生地线环路电流，形成地环路干扰。当两个电路共用一段地线时，会形成公共阻抗耦合。解决地环路干扰的方法有切断地环路，增加地环路的阻抗，使用平衡电路等
