电磁兼容设计在印制电路板中的应用
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电子电路PCB的散热分析与设计随着科技的不断发展,电子设备已经成为了我们生活中不可或缺的一部分。
然而,在电子设备运行过程中,由于电路板上的元器件会产生大量的热能,如果散热不良,会导致设备性能下降、可靠性降低甚至出现安全问题。
因此,针对电子电路PCB的散热分析与设计至关重要。
本文将结合实际案例,对电子电路PCB的散热问题进行分析和讨论。
电路板的热阻:热阻是表示热量传递难易程度的物理量,值越小表示热量传递越容易。
电路板的热阻主要包括元器件的热阻和电路板本身的热阻,其中元器件的热阻受到其功耗、结点温度等因素的影响。
自然对流:自然对流是指空气在温度差的作用下产生的流动现象。
在电子设备中,自然对流可将热量从电路板表面传递到周围环境中,从而降低电路板温度。
然而,自然对流的散热效果受到空气流动速度、环境温度等因素的影响。
强迫通风:强迫通风是通过风扇等装置强制空气流动,以增强电子设备的散热能力。
强迫通风的散热效果主要取决于风扇的功率、风量等因素。
选择合适的导热材料:导热材料具有将热量从高温区域传导到低温区域的能力,常用的导热材料包括金属、陶瓷、石墨烯等。
在电路板设计中,应根据元器件的功耗和结点温度等因素,选择合适的导热材料。
提高电路板表面的散热能力:提高电路板表面的散热能力可以有效降低电路板的温度。
常用的方法包括增加电路板表面积、加装散热片、使用热管等。
合理安排元器件的布局:元器件的布局对电路板的散热效果有着重要影响。
在布局时,应尽量将高功耗元器件放置在电路板的边缘或中心位置,以方便热量迅速散出。
同时,应避免将高功耗元器件过于集中,以防止局部温度过高。
增强自然对流:自然对流是电路板散热的重要途径之一。
在电路板设计中,应尽量减少对自然对流的阻碍,如避免使用过高的结构、保持电路板表面的平整度等。
可在电路板下方或周围增加通风口或风扇等装置,以增强自然对流的散热效果。
采用强迫通风:强迫通风可以显著提高电子设备的散热能力。
印制电路板布线注意事项印制电路板布线注意事项目前电子器材用于各类电子设备和系统仍然以印制电路板为主要装配方式。
实践证明,即使电路原理图设计正确,印制电路板设计不当,也会对电子设备的可靠性产生不利影响。
例如,如果印制板两条细平行线靠得很近,则会形成信号波形的延迟,在传输线的终端形成反射噪声。
因此,在设计印制电路板的时候,应注意采用正确的方法。
一、地线设计在电子设备中,接地是控制干扰的重要方法。
如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可解决大部分干扰问题。
电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。
在地线设计中应注意以下几点:1.正确选择单点接地与多点接地在低频电路中,信号的工作频率小于1MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用一点接地。
当信号工作频率大于10MHz时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。
当工作频率在1~10MHz时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的1/20,否则应采用多点接地法。
2.将数字电路与模拟电路分开电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。
要尽量加大线性电路的接地面积。
3.尽量加粗接地线若接地线很细,接地电位则随电流的变化而变化,致使电子设备的定时信号电平不稳,抗噪声性能变坏。
因此应将接地线尽量加粗,使它能通过三位于印制电路板的允许电流。
如有可能,接地线的宽度应大于3mm。
4.将接地线构成闭环路设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时,将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。
其原因在于:印制电路板上有很多集成电路元件,尤其遇有耗电多的元件时,因受接地线粗细的限制,会在地结上产生较大的电位差,引起抗噪声能力下降,若将接地结构成环路,则会缩小电位差值,提高电子设备的抗噪声能力。
二、电磁兼容性设计电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。
PCB的板级电磁兼容问题一、(芯片)(集成电路)现状现阶段,(电子)系统正向高速化和高密度化飞跃发展。
在电子系统的设计过程中,系统的体积越来越小,IC引脚(in(te)grated circuit,集成电路)却越来越多,因此(PCB)(Printed Circuit Board,印制电路板)上的元件与布线越来越密集;与此同时,(信号)的(时钟)频率越来越大,并且信号上升沿越来越陡峭。
这些因素都导致了电磁环境的日益复杂,设备之间以及设备内部因互感和互容引发的种种(电磁兼容)问题已不容忽视。
这一问题在现今的强辐射源与高功率(微波)系统中也显得日益突出。
如在某高功率微波系统中,需要在限定的体积和尺寸下,采用(FPGA)芯片实现对多路(电机)的并行控制,就需要设计高速高密度的PCB。
本文就研究该情况下PCB的板级电磁兼容问题,主要包括信号完整性(Signal Integrity, SI)和(电源)完整性(PowerIntegrity,PD问题。
二、信号完整性及电源完整性问题信号完整性概括地说,是指信号在信号线上传输质量的好坏。
在(数字电路)中,体现在信号能在电路中能以正确的电压、带宽和时序做出响应。
若在PCB中,信号可以以正确的电压大小、带宽和时序都到达接收端,就能说明该PCB具有较好的信号完整性。
如果不能,则说明PCB中岀现了严重的信号完整性问题。
在高速高密度的数字电路中,信号完整性问题大致表现在一下几个方面:振铃、过冲、欠冲和时延等。
为了正确读取数据并对数据进行处理,数据在集成电路中需要在时钟边沿的前后处于稳定状态。
这个时间段内,如果信号不稳定或者发生状态的改变,集成电路就可能误判甚至发生丢失部分数据的情况,影响信号的正常传输。
如图1所示,若岀现振铃、上冲或下冲等信号完整性问题,就会影响数据的正常传输,从而影响PCB的正常工作,也可以从眼图直观判断信号传输的好坏,如图2图1PCB中信号完整性问题的表现图2 表征信号完整性问题的眼图信号完整性问题既会导致信号明显的失真和时序混乱,也会造成数据的错误,从而造成系统出错甚至瘫痪。
在整个研发印制电路板的工作中,最重要的也是第一个要进行的工作就是明确设计框架,画出原理图。
通常情况下,设计人员都会选择AltiumDesigner软件来开展描画和设计工作,大部分的元器件都能够在该软件的样本中找到,有少部分不在图库里面,需要设计者自己勾绘制作出来。
当绘制完成整个原理图形之后,再经过严密的检查和测试,一旦发现其中的失误或者错误的地方必须及时修正。
在确保设计出来原理图没有任何问题之后,再按照这个设计图研发印制电路板。
AltiumDesigner这个软件能够使得原理图转换为PCB图,可是这个软件的自动程度还是有限度的,布线效果往往不能使人满意,所以必须通过设计自己进行布线工作。
同时,设计印制电路板时,必须重点考虑的一个问题就是电磁兼容问题,设计出合适的技术方案。
恰当的安置各个不同元器件的位置,精确布置安排各个走线,可以最大程度的避免电子干扰现象的频繁出现[2]。
2 PCB中的电磁干扰解析印制电路板运行过程中会经常受到各种各样的电磁干扰问题,其中受到的干扰大致分成两类。
一类来源于印刷电路板自身,由于挨着比较近的线路之间会发生寄生耦合现象,而信号的整个运输线路就会受到干扰[3]。
另一类就是串扰问题。
串扰顾名思义就是比较的混乱,即不同信号线之间进行能量的随意转换,由互感或者互容而引起各种噪音。
其中,互感和互容属于产生串扰问题的重要原因。
3 印制电路板设计的抗干扰方法■3.1 选用合适的印制电路板研生产材料印制板的选材是非常重要的,目前国际通用的为环氧树分析各种材料的特征,选用合适的原材料[4]。
■3.2 科学布置印制电路板的叠层印制板的层排列也是有原则的,合理的排列各层对印制板的抗干扰能力十分有益。
第一,将电源平面与地平面相邻,这样可以形成耦合电容,并与电路板上的去耦电容一起降低电源平面的阻抗,同时获得较宽的滤波效果;第二,参考面的选择应优选地平面电源;第三,相邻层的关键信号不跨分割区;第四,相邻层走线时,最好是形成垂直。
军工电子设备电磁兼容性的试验标准和达标技术关键词:GJBI51A-97标准;电磁兼容性;电磁干扰;受测试设备;屏蔽;滤波0 引言近20年来,军工电子设备对于电磁工作环境的兼容性能日益受到重视。
EMC (Electro Magnetic Compatibility)不仅与温度、湿度、振动等并列成为考核军工设备环境适应能力的重要指标,而且对某些军工电子设备来讲,电磁兼容性更是提到了所有各种环境要求中最重要的位置。
这是因为现代军工装备的电子化程度大幅度提高后,军工电子设备的功率谱和频率谱不断向高端和低端两个方向延伸,军工电子设备在海、陆、空各种平台上的安装密集度也大幅增加,导致各电子设备相互之间的电磁干扰(EMI,Electro-Magnetic Interference)问题越来越突出。
因此,要求军工电子设备必须具有规定的电磁兼容能力已成为从事设备设计、生产、使用有关各方的共识。
为了考核军工电子设备的EMC性能,几乎所有的军工电子设备都要求必须通过国家军用标准规定的电磁兼容性试验测试.因此,近年来有关军工电子设备电磁兼容性的试验标准和达标技术受到了前所未有的关注.与其他环境条件的考核要求不同,“电磁兼容性”的检验不仅要考核设备对电磁环境的适应能力,还要考核该设备的存在是否会造成不利于容纳其他设备正常工作的电磁环境.因此,电磁兼容性试验是双向性的试验,受测试设备(EUT,equipment under test)必须在承受外部电磁干扰和不对外产生电磁干扰两方面同时达标才算合格。
又因为电磁信号能够通过电路传导和空间辐射两种途径产生效应,所以,为使军工电子设备能够在电磁兼容性试验中达标,必须在设备的电子电气系统和机械结构系统两方面协调采取措施。
这些因素决定了电磁兼容性试验相对其他的例行环境试验来说更为复杂,达标也更不容易。
对从事军工电子设备电磁兼容性设计和试验的人员来说,除了要掌握与设备有关的专业知识和必不可少的电磁学、电子学、电工学方面的基础知识以及有关材料科学和结构设计方面的知识外,还必须熟悉有关电磁兼容性试验的军用标准,并尽可能详细地了解各项试验的物理含义及对试验测试的要求等方面的内容。
多导联心电监护系统电磁兼容的印制电路板设计舒磊;王亚驰;张金宏;张金玲;王海娜【摘要】In this paper, the multi-lead ECG monitoring system of ECM is researched and analyzed from the perspectives of printed circuit board (PCB) component layout and wiring. And the finished system can get a good real-time performance of ECG signal. Under the environment in daily life, through the real-time monitoring test of the designed ECG system, the PCB in the bare state can detect stable ECG signal. The test results show that the system has a good electromagnetic compatibility and practical application.%本文对多导联心电监护系统从印制电路板(PCB)的器件布局、布线等方面来进行了电磁兼容性研究和设计,设计完成的多导联心电监护系统能够获得实时的性能良好的心电信号。
在日常生活环境下,对所设计的心电信号系统进行了实时监护测试,电路板在裸露状态下可以检测到稳定的心电信号。
此测试结果表明该系统具有良好的电磁兼容性和实际应用意义。
【期刊名称】《环境技术》【年(卷),期】2014(000)0z1【总页数】4页(P67-70)【关键词】电磁兼容;PCB器件布局;PCB布线【作者】舒磊;王亚驰;张金宏;张金玲;王海娜【作者单位】北京邮电大学电子工程学院,北京 100876;北京邮电大学电子工程学院,北京 100876;内蒙古赤峰克旗蒙中医院内科,赤峰 024000;北京邮电大学电子工程学院,北京 100876;河南农业职业学院,郑州 451450【正文语种】中文【中图分类】TN41医学电气设备的电磁兼容(EMC)性好坏直接关系到设备的性能和人类的生命安全。
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维普资讯 .cqvip.电子工程师.8No1202.02电磁兼容设计在印制电路板中的应用ApiainoplctofEMCsgnPCBDeini北方交通大学电磁兼容实验室(京100)北000柴瑜沙斐【摘要】讲述了印制电路板的电磁兼容设计。
从元器件的布置到地线、电源线以爰信号线的设计,最后又介绍了多层板设计时的一些问题。
关键词:电磁兼窖,电磁骚扰,共模辐射,差模干扰【Abtat[Thsppritouehlcrmantccmptblyeinohsrc]iaenrdcsteeetogeioaiitdsgfteipitdcrutbadrneiciors,icuigtearnenfeensheinorudtaenldnhragmetolmet,tedsgfgonrc、mantaeninltaeAtls.idsusssmepolmsoircadsgarc.atticseorbefmu—yrrnehiaepitdl:rutbad.iciorsKewor:lcrmaneiopaiiiy,eetoantcydseetogtccmtbltlcrmgeiditracsubne,cmmonoeomdrditon.difrntaonefrncaaifeeilmdeitreee10言l电磁兼容性是电子设备或系统的主要性能之一2单、双层印制电路板的电磁兼容设计印制板上的电路虽然各式各样,就布线和设但计而言总是有些共同的原则应该遵循。
在印制板布线时通常先确定元器件在板上的位置,后布置地然线、源线,安排高速信号线,后考虑低速信号电再最线,在分别加以讨论。
现,电磁兼容设计是宴现设备或系统规定的功能、使系统教能得以充分发挥的重要保证。
必须在设备或系统功能设计的同时,行电磁兼容设计。
磁兼容进电设计的要求是使电子设备或系统满足电磁兼容标准的规定、有两方面的能力:1能在预期的电磁环具()境中正常工作,性能降低或故障;2不会对其他无()系统或设备的正常工作产生影响.为其电磁环境成中的电磁污染源。
电磁兼容设计可分为系统和系统间两部分,主要是对系统之间及系统部的电磁兼容性进行分析、测、制和评估,现电磁兼容和最佳效费比预控实系统间电磁骚扰控制技术包括:有用信号的控制、对对人为骚扰的控制、自然骚扰源的控制。
统电对系磁兼容设计包括:制电路板的设计、源器件的选印有用、及电路板的布线、地、蔽及滤波。
文主要以接屏本讨论印制电路板的电磁兼容设计。
印制电路板是构成数字电子设备的基础,证印制电路板的电磁兼保容性是整个系统设计的关键,确地完成印制电路正板的布线和设计应该使得;1板上的各部分电路相()互间无干扰,能正常工作;2印制板对外的传导都()发射和辐射发射尽可能降低,到有关标准要求;达()部传导干扰和辐射干扰对印制板上的电路基3外本无影响。
主要讲述两大问题:是单、层电路板一双的电磁兼容设计.是多层电路板的电磁兼容设计。
二21元器件布置.()器件布置的首要问题是对元器件的分组。
1元元器件可以按照所用的电源电压不同来分组,按可照数字电路和模拟电路分组,也可按照高速低速、大电流小电流等来分组。
这里建议首先以不同的直流电源电压来分组。
如果使用同种电压的元器件中仍有数字和模拟元件之分,可以再进行分组。
电源则按电压、字及模拟电路分组后可进一步按速度快慢、数电流大小进行分组。
分组的目的是为了按组对印制板的空间进行分割,同组的元器件放在一起,便将以在空间上保证各组元件不至产生组间的相互干扰。
()有连接器最好都放在印制电路板的一翻,2所尽量避免从两侧引出电缆。
这样的做法是为了减少产生共模辐射干扰的可能性因为在板上有高速数字信号时,如果印制板产生共摸辐射,则电缆是很好的共模辐射天线,子天线会比单板天线产生更大振的共模辐射干扰。
()高速数字集成芯片与连接器之间投有直3当接的信号交换时,高速数字集成芯片应安捧在远离连接器处。
图1a中,/驱动器被安捧得离连接()Io器过远,高速数据集成芯片被安排得离连接器太而近,因此高速数字信号有可能通过电场耦合或磁场收藕日期:011—020—195 ? 4维普资讯 .cqvip.染瑜,电黛摹容设计在印制电蓐板中的应用等:耦合对输入输出环路产生差模干扰.通过电缆向并外辐射。
如果高速数字集成芯片放在两个连接器之间,图1b所示.高速数字信号耦合到电缆上如()则去的可能性更大。
()入输出(/)动器应该紧靠连接器,/4输I0驱Io信号从连接器引入后应马上进入I0驱动器,/不要在印镧板上传输过长的距离,以免耦台上千扰信号。
图1c是图1a的改进,中I0驱动器被移()()图/到连接器处,速数字集成芯片移至远离连接器处。
高(】a高速器件靠近连接器一佩宁/M中,遗【低c\_(高速器件在两个连接器件之间}))困f]c高速器件靠近连接器c线较粗.电感量也不能忽略,高频电流通过时仍有可观的电压降,以一般都采用分地的方法。
些双面所有印制板和多层印制板用一个面作为地线层,轨线与电感相比面电感很小,这种情况下是否需要分地在要根据情况决定,则是不相容电路的电流回路不原要有公共部分。
该指出的是.地并不是把各种地应分完全隔离、有任何电气连接,地詹各种地还应该没分在适当位置连接起来,持整个地层的电连续性。
保()源线的布置2电电源线布置应与地线结合起来考虑,便构成以特性阻抗尽可能小的供电线路。
单面板和双面板的供电线路是由印制板的轨线组成的.减小供电用为轨线对的特性阻抗,源轨线和地轨线应该尽可能电粗.且相互靠近,电环路面积应该减小到最低程并供度,同电源的供电环路不要互相重叠。
如图2所不示,面板的电源供电线采用上下重叠的布置方法,双各个集成芯片的电源脚和地线脚连接到同一个电源轨线对中,集成芯片旁边加了高频去耦电容,而且从使供电环路减小,且各集成芯片的高频电流环路并不会因相互重叠而产生磁场耦台。
但这种布置仍然存在问题,果使用不同电源供电轨线对的集成芯如片之间有信号传输,则数字信号的回流将绕较大的圈子.趴而增大信号环路的面积。
决的方法是采用解并字形网状结构的供电布置,3加了4条垂直放图置的小型电源母线条,成了井字形网状结构。
外构此图中各电源轨线对分别引到连接器端子上,不是而在板上先汇合成一对然后再连到莲接器上,样处这理使共阻抗耦合进一步减少图1高速器件与lO驱动器的安排/()元器件安排时应考虑尽可能缩短高速信5在号线的长度,如时钟线、据线、址线等果高例数地如速器件的信号线必须与连接器相连接,应考虑把则高速器件放在连接器处,量缩短走线.后在稍远尽然处安排中速器件,远处安排低速器件。
则如果高最否速元件远离连接器,高速信号将穿过整块印制板则才能到达连接器.将可能对沿途的中、速电路产这低生干扰。
这条原则似乎与第()愿则相矛盾,实3条但际上目的只有一个,避免高速电路对低速电路的即影响,是情况不同,取的方法不同而已。
只采图2集成片与供电轨践对连接方法22地线和电源线的布置.()置地线时首先考虑“地”1布分分地即根据不同的电源电压、字和模拟、速数高和低速、电流和小电流(们都是不相容的)分大它来别设置地线.目的是为了防止共地线阻抗耦台干其圈3井字形同状供电结构23信号线的布置.()1不相容的信号线应相互隔离这样做的目的是避免相互之间产生耦台干扰。
高额与低频、电流与小电流、大数字与模拟信号线是不相容的,件布置中我们已经考虑了把不相容元元‘善5‘扰。
单面印制板和有些两面板用轨线做地线.即使轨维普资讯 .cqvip.电子工程师件放在印制板上不同的位置,信号线的布置上仍在应该注意把它们隔离,般可采取下面的措施:一不相容信号线应相互远离,要平行,布在不不分同层上的信号线走向应互相垂直,样可以减少线这间的电场和磁场耦合干扰;速信号线特别是时钟高线要尽可能的短,要时可在高速信号线两边加隔必离地线,离地线两端应与地层相连接;号线的布隔信置最好根据信号的流向安排,个电路的输出信号一线不要再折回输人信号线区域,为输人线与输出因线通常是不相容的。
()量减小信号环路的面积2尽减小信号环路的面积,为了减小环路的差模是电流辐射。
路辐射与电流强度和环路面积成正比,环在电流强度确定的情况下,了减小环路辐射,有为只设法减小环路面积。
号环路不应重叠,对于高速信这度、电流的信号环路尤为重要,际上减小面积比大实.8No1202.02C=A ?nX+,-C7)A2半C() ? rs下t/sn/it)irTno『n=Trc()1式中,是数字脉冲宽度,是数字脉冲的上升时t间,T是数字信号的重复周期。
根据这个结果,以可把方波数字信号的印制板设计带宽定为l,通常/,要考虑这个带宽的十倍频。
缩短信号线长度更有效。
在单层和双层板上信号线及其回流线应紧贴在一起布置,好是每条信号线最都有自己的回流线,则容易产生信号环路的重叠。
否前面已经讲过,单面板和双面板中布置地线时采在用井字形网状结构,多层板号线不要跨越地在层上的隔缝,目的都是为了减小信号环路面积。
其()虑阻抗匹配问题3考当高速数字信号的传输延迟时间tt4时,d>/f,为信号的脉冲上升时间,考虑阻抗匹配问题于应对f一ls的数字信号,线长5m就满足上述条件n轨e了。
在单面板和双面板上的轨线对的特性阻抗实际上很难控制,因为两条轨线要始终保持平行,宽度不变,能保证特性阻抗不变。
果双面板有一面作地才如层,或采用多层板,轨线与地层的特性阻抗对同一则层上宽度和厚度相同的任何走向轨线都是相同的。
般为41O这样就便于与集成芯片的输人或02n.输出阻抗相匹配。
()人输出轨线在连接器端口处应加高频去4输耦电容通常IO信号的频率要低于时钟频率,以高/所频去耦电容的选择应能保证io信号正常传输,/而滤除高频时钟频率及其谐波。
该高频去耦电容是为了抑制差模干扰,括沿Io线进人印制板和从印包/制板出去的干扰,以该电容应接在IO线的信号所/一线与地线之间。
3多层印崩电路板的电磁兼容设计在进行多层印制板设计时,先要考虑的是带首宽。
数字电路电磁兼容设计中要考虑的是数字脉冲的上升沿和下降沿所决定的带宽而不是数字电路脉多层电路板的电磁兼容分析可以基于克希霍夫定律和法拉第电磁感应定律。
根据克希霍夫定律,任何时域信号由源到负载的传输都必须有一个最低阻抗的路径。
个原则完全适合高频辐射电流的情况,这如果高频辐射电流不是经由设计中的回路到达目的的负载,就一定是通过某个客观存在的回路到达的,这一非正常回路中的一些器件就会遭受电磁骚扰。
在数字电路设计中,们最容易忽略的是存在于器人件、导线印制板和插头上的寄生电感、电容和导纳。
多层板设计要决定选用的多层板的层数。
多层板的层间安排随着电路而变,有以下几条共同原则:但电源平面应紧靠接地平面,且安排在接地并平面之下。