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EMC理论上的差模电流与共模电流&PCB布局布线思路

我们解决EMC问题首先要了解电路中的差模电流和共模电流问题!

分析如下:

在上图中;最右边的共模实际上就是我们等效的辐射的信号源的等效天线模型-也称天线模!

共模(CM)电流和差模(DM)电流

骚扰电流在导线上传输时有两种方式:

共模电流:以相同的相位,往返于L,N线(或信号线)与地线之间的电流;

差模电流:往返于L和N线(或信号线与回流线)之间,并且幅度相同相位相反的电流.

一对导线上如流过差模电流则两条线上的电流大小相等,方向相反。而一般有用信号也都是差模电流。

一对导线上如流过共模电流则两条线上的电流方向相同。

骚扰电流在导线上传输时既可以差模方式出现,也可以共模方式出现. 但共模电流只有变成差模电流后,才能对有用信号构成骚扰。

差模骚扰电压: 线与线之间的骚扰电压,会骚扰有用信号.

共模骚扰电压: 即各条线与地之间的骚扰电压,会产生很强的辐射骚扰和传导骚扰,是电磁骚扰发射超标的主要原因之一

共模电流和差模电流可同时存在于一对导线中

产生共模电流的原因:

A.某些点地电位过高,与参考地之间存在共模电压,接有导线后产生共模电流;

B.外界电磁场在导线上产生感应电压,而产生共模电流

我再来分析PCB布局布线思路!

大环面积带来的问题:

A.辐射发射大,抗扰度差

B.磁通大,使串扰增大

电源完整性

A.当大量芯片内的电路输出级同时动作时,会产生较大的瞬态电流,这时由于供电线路上的引线电感的影响,电源线上和地线上电压就会波动和变化

B.良好的电源分配网络设计是电源完整性的保证

C.使用多层板,用电源平面代替电源线,降低供电线路上的引线电感.用接地平面代替地线,降低其引线电感.

D.电源平面和地平面相邻,使环路面积为零.

放置去耦电容,0.1μF~1μF 电容放置在电路板的电源输入端,而1000pF 电容则放置在电路板的每个有源器件的电源引脚和接地引脚上。

E.保证大电流器件电源的回流路径畅通无阻

PCB表面安装技术(SMT)

表面安装技术(SMT)是70年代末发展起来的新型电子装联技术,SMT是包括表面安装器件(SMD)、表面安装元件(SMC)、表面安装印制电路板(SMB)以及表面安装设备、在线测试等的总称。

曲线1为仅由单层板迹线引起的辐射,可见,辐射场强最大;

曲线2为同一单层板上,标准芯片的辐射;

曲线3为SMC芯片的辐射;

曲线4为由SMC所采用的多层板迹线的辐射,可见,减小了许多。

在印制板级控制电磁发射和抗扰度

印制板的EMC设计是产品EMC设计的基础

A.PCB设计即印制电路板.是在绝缘基材上,按预定设计,制成印制线路,印制元件或由两者组合而成的导电图形后制成的板。

B.它作为元器件的支撑,并且提供系统电路工作所需要的电气连接,是实现电子产品小型化、轻量化、装配机械化和自动化的重要基础部件,在电子工业中有广泛应用。

PCB的分类

A.按所用基材的机械特性。可以分为刚性电路板(RigidPCB) 、柔性电路板(Flex PCB)以及刚性柔性结合的电路板(Flex-Rigid PCB)

B.按导体图形的层数可分为单面/双面和多层印制板。目前使用的电路板多为高密度互连多层电路板(high density integrated board)。

刚性PCB

A.刚性PCB的通常使用纸质基材或玻璃布基材覆铜板制成,装配和使用过程不可弯曲。

B.刚性多层板又可分为普通多层板,带有激光孔的多层板和特殊结构多层板如(ALIVH等)

C.刚性板的特点是可靠性高,成本较低,但应用的灵活性差

普通多层板

A.机械钻孔可以贯穿所有线路层(通孔)或只贯穿部分线路层(盲,埋孔)

B.线宽线距最小0.1mm。机械钻孔一般孔径大于0.2mm

C.优点:成本低,加工周期短

D.缺点:钻孔较大,布线密度比较低

E.适用于比较简单的电路.

激光钻孔多层板

A.激光钻孔精度高,电镀后性能可靠

B.钻孔直径可小于0.1mm,节省pcb的表面安装面积,走线密度较高

C.目前能够加工的厂家比较多。

D.根据电路的复杂程度可以选择不同的叠层结构,易于控制成本

柔性板

A.柔性板(FPC)是使用可挠性基材制成的电路板,成品可以立体组装甚至动态应用

B.柔性板加工工序复杂,周期较长

C.柔性板的优势在于应用的灵活,但是其布线密度仍然无法和刚性板相比

D.柔性板的主要成本取决于其材料成本

PCB设计的原则

A.电气连接的准确性

B.电路板的可测试性

C.可靠性和环境适应性

D.工艺性(可制造性)

E.经济性等

高速设计的挑战

随着系统设计复杂性和集成度的大规模提高,电子系统的工作频率已经达到百兆甚至千兆的数量级。 

当系统工作在50MHz时,将产生传输线效应和信号的完整性问题;而当系统时钟达到120MHz时,除非使用高速电路设计知识,否则基于传统方法设计的PCB将无法工作。

单面板设计

单面板制造简单,装配方便,适用于一般电路要求,不适用于要求高的组装密度或复杂电路的场合。

如果印制电路板的布局设计合理,也可以实现电磁兼容性。  

线路板走线的阻抗问题

精心的走线设计可以在很大程度上减少走线阻抗造成的骚扰。当频率超过数kHz时,导线的阻抗主要由导线的电感决定,细而长的回路导线呈现高电感(典型lOnH/cm),其阻抗随频率增加而增加。如果设计处理不当,将引起共阻抗耦合。

减小电感的方法有两个:

A.尽量减小导线的长度,如果可能,增加导线的宽度

B.使回流线尽量与信号线平行并靠近

导线的电感可以用下式计算:

L=0.002ln(2ph/W)  (?H/cm)

式中:h是导线距离地线的高度,w是导线的宽度。高频时,对阻抗影响最大的是导线的长度,宽度、直径都是较次要的因素。

由于阻抗与走线宽度是对数关系,将宽度增加一倍仅使电感减少75%。

导线的电感也可用下式近似计算:

L=0.2 S [ln(2 S/W) + 0.5 + 0.2 W/S ](nH)

当:S/W > 4

则:L = 0.2 S[ln(2 S/W)](nH)

式中,S为导线的长度(m)W为导线的宽度(m)。

两根载有相同方向电流的导线的电感为:

L = (L1 L2 -M2)/ (L1+ L2 - 2M)

式中,  L1、L2分别为导线1和导线2的自感,M为互感。

当:L1 = L2

则:L = (L1 +M) / 2

两根电流方向相反的平行导线,由于互感作用,能够有效地

 减少电感,可表示为:

L = L1 +L2 - 2M  当细导线相距1厘米以上时,互感可以忽略。

线路板走线的电感结构图如下:

A.两根带互感的,载有相同方向电流的平行导线,并连后的电感:L=(L1+M)/2

所以,可以通过多条导线并联来减小电感,M愈小,愈明显.例:两根长5cm,d= 0.5cm的导线,当L1=30nH,M=6nH时,L=18nH;M=0时,L=15nH.

B.两根带互感的,载有相反方向电流的导线,串联后的电感:L=L1+L2—2M,M愈大,L愈小.当M=L1,L1=L2时,L=0.信号线与回流线“形影不离”,电源线与地线也“形影不离”,都保证了L=0,阻抗为零,电磁骚扰发射为零。

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