PCB电磁兼容性设计报告

PCB电磁兼容性设计报告 学科专业：测控技术与仪器 本 科 生：张亚新 学 号：445 班 号：232121 指导教师：宋恒力

中国地质大学（武汉）自动化学院 2014年10月24号 综述： PCB电磁兼容性设计

摘要：随着信息化社会的发展，电子设备已被广泛应用于各个领域。各种电了产品趋向于小型化、智能化，电子元器件也趋向于体积更小、速度更高、集成度更大，这也导致了他们在其周围空间产生的电磁场点评的不断增加。由此带来的电磁兼容问题也日益严重。所以，电磁兼容问题也就成为一个电工系统能否正常工作的关键。同样，随着电子技术的飞速发展，印刷电路板（PCB）的密度越来越高，其设计的好坏对电路的干扰及抗干扰能力影响很大。因此，对PCB进行电磁兼容性(EMC)设计是非常重要的，保证PCB的电磁兼容性是整个系统设计的关键。本文就EMC的历史发展及其在未来电子信息时代中的应用进行分析，介绍电磁干扰的产生机理和原因，并提出了相应抗干扰设计的措施。 关键词：信息化；电磁兼容（EMC）；电磁兼容性；PCB；

目录 一：引言 .................................................... 错误!未定义书签。 二：电磁干扰与电磁兼容概述 ................................................. 4 1、早期历史概述 .......................................................... 5 2、EMC 技术是随着干扰问题的日趋严重而发展的 ............................... 6 3、电磁干扰对电子计算机等系统设施的危害 ................................... 6 4、EMC在军事领域的发展状况 ............................................... 7 三：电磁兼容学科的发展历史 ................................................. 5 四：我国EMC技术的发展状况 ................................................. 8 五：抗干扰措施与电磁兼容性研究 .............................................. 8 1、电路板设计的一般规则 ................................................... 9 2、电路板及电路抗干扰措施 ................................................. 9 六：电磁兼容学科发展趋势 .................................................. 10 七：小结 .................................................................. 12 参考文献 .................................................................. 13 一、引言 电磁干扰是现代电路工业面对的一个主要问题，为了克服干扰，电路设计者不得不赶走干扰源，或者是设法保护电路不受到干扰源的干扰，其目的都是为了让电路按照预期的目标开工作——即到达电磁兼容性。 目前各类电子设备和系统中的器件仍以印制线路板PCB为主要装配方式，随着表贴元器件(SMD)制造水平的不断提高及表面贴装技术(SMT)的广泛应用，PCB的设计也向着高密度，细导线，小间距，多层次的方向发展， PCB的设计必须充分考虑电磁兼容性。对于PCB的EMC设计内容主要有PCB的总体设计、电源和地线布置、去藕设计和布线设计等。 引起电磁干扰的原因是多方面的，主要可归结为过高的工作频率或不合理的布局布线。在高频化趋势不可避免的情况下,一个好的PCB设计，应着重从元器件布局、时钟电路设计、电源设计、接地设计、静电防护设计等方面进行综合考虑。

二、电磁干扰与电磁兼容概述 电磁兼容性(electromagnetic compatibility) 缩写ＥＭＣ就是指某电子设备既不干扰其它设备，同时也不受其它设备的影响。电磁兼容性和我们所熟悉的安全性一样，是产品质量最重要的指标之一。安全性涉及人身和财产，而电磁兼容性则涉及人身和环境保护。在我们的日常生活中经常会遇到这样一些情况，在我们正常收听广播或收看电视节目的时候如果户外有汽车驶过，很容易造成收听或收看质量下降，还有当我们在家玩电子游戏机时，常常造成邻居家电视机的某些频道无法正常收看；同样邻居家在玩游戏机时也会影响自家电视机的接收效果。这样的例子足以说明，在我们日常生活的空间确实存在着另外一种环境污染——电磁污染。可以这样说，凡有电、有开关的设备均会产生电磁干扰。

各种运行的电力设备之间以电磁传导、电磁感应和电磁辐射三种方式彼此关联并相互影响，在一定的条件下会对运行的设备和人员造成干扰、影响和危害。 20世纪80年代兴起的电磁兼容EMC学科以研究和解决这一问题为宗旨，主要是研究和解决干扰的产生、传播、接收、抑制机理及其相应的测量和计量技术，并在此基础上根据技术经济最合理的原则，对产生的干扰水平、抗干扰水平和抑制措施做出明确的规定，使处于同一电磁环境的设备都是兼容的，同时又不向该环境中的任何实体引入不能允许的电磁扰动。 进行电磁兼容（包括电磁干扰和电磁耐受性）的检测与试验的机构有苏州电器科学研究院、航天环境可靠性试验中心、环境可靠性与电磁兼容试验中心等实验室。 内部干扰是指电子设备内部各元部件之间的相互干扰，包括以下几种: （1）工作电源通过线路的分布电容和绝缘电阻产生漏电造成的干扰；(与工作频率有关) （2）信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合，或导线之间的互感造成的干扰； （3）设备或系统内部某些元件发热，影响元件本身或其它元件的稳定性造成的干扰； （4）大功率和高电压部件产生的磁场、电场通过耦合影响其它部件造成的干扰。 外部干扰是指电子设备或系统以外的因素对线路、设备或系统的干扰，包括以下几种: （1）外部的高电压、电源通过绝缘漏电而干扰电子线路、设备或系统； （2）外部大功率的设备在空间产生很强的磁场，通过互感耦合干扰电子线路、设备或系统； （3）空间电磁波对电子线路或系统产生的干扰； （4）工作环境温度不稳定，引起电子线路、设备或系统内部元器件参数改变造成的干扰； （5）由工业电网供电的设备和由电网电压通过电源变压器所产生的干扰。

图1 电磁干扰模型的组成 三、电磁兼容学科发展历史 1、早期历史概述： 最早出现的电磁干扰现象是在19世纪--单线电报间的串扰。1881年，英国着名科学家希维赛德发表了“论干扰”的文章可算是最重要的早期文献。但这类干扰现象在当时并未引起干扰者和被干扰者的重视。 1833年法拉弟发现电磁感应定律，指出变化的磁场在导线中产生感应电动势。1864年麦克斯韦引入位移电流的概念指出变化的电场将激发磁场，并由此预言电磁波的存在，这种电磁场的相互激发并在空间传播。正是电磁干扰存在的理论基础。 随着电气运输的出现，在一根通信线与不对称的强电线之间有较长的平行运行，干扰问题日益严重。这样在1887年，柏林电气协会成立“全部干扰问题委员会”成员有赫姆霍尔兹和西门子等。 1888年赫兹用实验证明了电磁波的存在。同时该实验也证明各种打火系统向空间发出电磁干扰。从此开始了对干扰的实验研究。 1889年，英国邮电部门研究了通信干扰问题；美国“电世界”杂志登载电磁感应方面文章。 20世纪初，许多学者对电磁感应影响的研究日益深入。并进一步研究感性、容性及阻性等耦合方式引起的干扰，还对辐射性干扰进行了大量研究。 早期的专门刊物——美国的“Radio Frequency Interference”是有关射频干扰的专门刊物。到1964年，随着专刊内容范围的增加，改名为EMC专刊。 美国从1945年开始，颁布了一系列电磁兼容方面的军用标准和设计规范，并不断加以充实和完善，使得电磁兼容技术得到快速发展。苏联在1948年制订了“工业无线电干扰的极限允许值标准”。有很多研究单位从事抗干扰的研究。其它国家也已相继加强了射频干扰的研究工作。 早在一九三四年国际电工委员会就成立了无线电干扰特别委员会简称CISPR，专门研究无线电干扰问题，制定有关标准，旨在保护广播接收效果。当初只有少数国家参加该委员会，

电磁干扰源 耦合路径 接收器 控制发射 （减少噪声源级别，降低电磁辐射） 控制易受干扰性 （降低电磁辐射，增加接收器抗干扰的能力） 如比利时、法国、荷兰和英国等。经过多年的发展人们对电磁兼容的认识发生了深刻的变化，1989年欧洲共同体委员会颁发了89/336/EEC指令，明确规定，自1996年1月1日起，所有电子、电器产品须经过EMC性能的认证，否则将禁止其在欧共体市埸销售。此举在世界范围内引起较大反响，EMC已成为影响国际贸易的一项重要指标。随着技术的发展CISPR工作范围也由当初保护广播接收业务扩展到涉及保护无线电接收的所有业务。国际电工委员会IEC有两个专们从事电磁兼容标准化工作的技术委员会：一个就是CISPR成立于1934年；另一个是电磁兼容委员会TC77，成立于1981年。CISPR最初关心的主要是广播接收频段的无线电骚扰问题，之后在EMC标准化工作方面进行了不懈的努力，CISPR共有七个分技术委员会其中A分会涉及无线电骚扰和抗扰度测量设备及测量方法；B分会涉及工业、科学、医疗射频设备的EMC；C分会涉及架空电力线路和高压设备的EMC；D分会涉及车辆、机动船和火花点火发动机驱动装置的EMC；E分会涉及收音机和电视接收机及有关设备的EMC；F分会涉及家用电器、电动工具及荧光灯和照明装置的EMC；G分会涉及信息技术设备的EMC问题。CISPR已基本上将通常的工业和民用产品的EMC考虑在其标准中。CISPR还起草了通用射频骚扰限额值国际标准草案，这样，对那些新开发的以及暂时还不能与现有CISPR产品标准相对应的产品，可以用射频骚扰限额值来加以限制。几年前CISPR将其工作频率范围扩展为DC-400GHz，目前实际工作范围为9KHz—18GHz，以前的CISPR标准主要涉及无线电干扰限额值及其测量方法，近年来在抗扰度方面加强了研究，并已制定了一些标准。TC77最初主要关心低压电网系统的EMC间题（9KHz以下频段），后来将其工作范围扩大到整个EMC所涉及的频率范围及产品。目前CISPR已制定有CISPR22（1997）《信息技术设备的无线电骚扰特性的测量方法及限值》等14个标准；TC77也已制定了25个IEC标准，其中IEC61000-4系列标准是目前国际上比较完整和系统的抗扰度基础标准。 2、EMC 技术是随着干扰问题的日趋严重而发展的 电气、电子技术的的发展及广泛应用，其设备和系统数量的急剧增多，造成了复杂的电磁环境。例如：1975年，日内瓦国际频率登记委员会所登记的无线电发射机有一百多万台，有一万多台无线发射机其总功率超过540MW，在更高频率上，其情况更复杂。1976年单在美国就有二百多万台移动式无线电发射机和基地台在工作，而军用无线电发射机可能更多。1988年，世界范围内的工业、科学和医疗（ISM）设备的数量已达到一亿二千万台，并已5%的速度逐年递增，这些设备有相当数量工作在国际电信联盟（IUT）指定的频率之外，或超过国际无线电干扰特别委员会（CISPR）对ISM设备所规定的辐射干扰极限值的要求。其功率泄漏及高次谐波将造成强烈的干扰。 60年代以来，现代科技向高频、高速、高灵敏度、高安装密度、高集成度、高可靠性方向发展，其应用范围越来越广，渗透到社会的每一角落。大规模集成电路的出现将人类带入信息时代，信息高速公路和高速计算机技术成为人类社会生产和生活的主导技术。快速发展带来的负面影响之一就是电磁干扰问题的日趋严重，也就极大地促进了EMC技术的发展。 电磁背景功率的增加会导致需要增加无线电发射机的功率。例如：60年前，工业活动还很少时，1台120kw 长波发射机的功率场就能覆盖 30 万平方公里。而现在，要想达到同样的效果，其功率就要增大17倍（达到2MW）。电磁波发射功率竞相增大和社会“电子化”、工业化增长的共同作用，最终会导致现有利用电信号作为代码的接收、传输和处理信息的系统的危机与崩溃，这将带来难以想象的、也是史无前例的灾难。 为了避免出现这种结果，就必须采取控制措施，不能让这种发展趋势不加限制地继续下去，要求从组织上、技术上采取相应措施。所以电磁兼容的研究和管理受到各国的重视，近年来获得较快的发展。 进入八十年代，电磁兼容已成为十分活跃的学科领域，许多国家（美、德、英、法、日等国）在电磁兼容标准与规范，分析预测、设计、测量及管理等方面均达到很高水平，有高精度的