10 嵌入式系统电磁兼容设计.pptx

第1页：嵌入式系统电磁兼容设计章节封面与导览

嵌入式系统电磁兼容设计章节封面与导览

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第2页：电磁兼容的发展

电磁兼容的发展

• 电磁兼容的发展
• 电磁兼容的基本概念
• 常见电磁兼容问题
• 电磁兼容设计的重要性
• 电磁兼容的测试单位
• PCB元件的高频特性
• 电磁能量的耦合途径与抑制方法
• PCB中的信号完整性分析
• PCB中的去耦电容

第3页：电磁兼容技术的发展

电磁兼容技术的发展

• 20世纪40年代为了解决飞机通信系统受到电磁干扰造成飞机事故的问题，开始较为系统地进行电磁兼容技术研究
• 美国自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，电磁兼容技术进入全面发展阶段
• 20世纪60年代以来，现代科学技术，尤其是信息网络和高速计算机技术的应用对电磁兼容提出了更高的要求，促进电磁兼容技术研究向更深、更广的领域发展

第4页：电磁兼容

电磁兼容

• 电磁兼容
  • 电磁兼容是以电磁场理论为基础，涉及信息、电工、电子、通信、材料、结构等学科的边缘科学，研究如何在有限的空间、时间和频率资源条件下，使各种电子设备或系统在同一电磁环境中相互兼容，而不致引起功能丧失或性能降低

第5页：电磁兼容3方面含义

电磁兼容3方面含义

• 电磁兼容3方面含义
  • 电磁干扰
    • 处在一定环境中设备或系统，在正常运行时，不应产生超过相应标准所规定的电磁能量
  • 电磁敏感度
    • 处在一定环境中设备或系统，在正常运行时，能承受相应标准规定范围内的电磁能量干扰，或者说对规定范围内的电磁能量干扰不敏感，仍能按照设计性能正常地运行
  • 电磁环境
    • 即使相同种类的设备也可能工作在不同的电磁环境中，不同的电磁环境对设备的电磁兼容要求不一样，离开了具体的电磁环境，谈电磁兼容没有什么实际意义

第6页：电磁兼容基本概念

电磁兼容基本概念

电磁兼容技术相关术语意义术语系统不会因为周边的电磁环境而导致性能降低、功能丧失或损坏，也不会在周边环境中产生过量的电磁能量，而影响周边设备的正常工作。电磁兼容性破坏性电磁能量从一个电子设备传导到另一个电子设备的过程。电磁干扰用于通信目的的连续电磁辐射的频率范围(10kHz到100GHz)射频设备或系统受电磁干扰而被中断或破坏的趋势的估量。敏感度设备或系统在保持预先设定的运行等级时抵抗电磁干扰能力的估量。抗扰性有着不同静电电压的物体在靠近或直接接触时引发的静电荷转移。静电放电产品抵抗来自自由空间电磁干扰能量的相对能力。抗辐射干扰性产品抵抗来自外部电缆、输电线和I/O连接器的电磁干扰能量的能力。抗传导干扰性将电子产品用金属外壳或者用涂有射频导电漆的塑料外壳屏蔽，从而阻止射频能量从内部泄露出去、或从外部进入电子设备的处理方法。密封通过滤波、搭接、屏蔽和接地或这些技术的任意组合，以减少或消除不希望有的射频能量发射。抑制

第7页：射频干扰

射频干扰

• 射频干扰
  • 射频范围里的电磁能量干扰
• 静电放电
• 电力线干扰
  • 电压跌落
  • 频率波动
  • 尖峰
  • 浪涌
  • 谐波
• 自兼容性
  • 设备内部各组成部分之间的相互干扰

第8页：电磁兼容标准

电磁兼容标准

电磁兼容标准电磁兼容标准干扰发射敏感度传导辐射信号/控制线电源线天线端口电场磁场传导辐射电源线/信号线磁场电场静电放电瞬态射频天线端口

第9页：发生电磁干扰三要素

发生电磁干扰三要素

• 发生电磁干扰三要素
  • 干扰源
    • 产生电磁干扰的元器件、设备和自然现象
  • 耦合途径
    • 电磁干扰能量从干扰源传输到受干扰设备的通路或媒介
  • 敏感设备
    • 对电磁干扰发生响应的设备干扰源耦合途径敏感设备雷电宇宙噪声静电放电···通信设备工业设备医疗设备家用电器···辐射发射传导发射动物植物通信设备工业设备医疗设备家用电器···

第10页：电磁兼容设计可提高电子设备工作的可靠性

电磁兼容设计可提高电子设备工作的可靠性

• 电磁兼容设计可提高电子设备工作的可靠性
• 电磁兼容设计是电子设备与国际接轨的需要
• 控制电磁能量辐射，保障人身和易燃易爆物质的安全
• 电磁兼容设计是应对未来战争的需要

第11页：电磁兼容设计的重要性

电磁兼容设计的重要性

不同阶段电磁兼容设计费用对比产品定义电路设计PCB布线产品原型功能测试规模生产产品上市电磁兼容设计费用

第12页：如果用1V

如果用1V

• 在电磁兼容测试中，通过选择适当的参考值，用dB的对数方式表示物理量
  • 如果用1V、1mV、1uV为参考，则对应的单位为dBV、dBmV、dBuV
  • 以1uA作为基准，得到电流dBuA计算公式：dBuA20log1mW
  • 以1mW作为基准，得到功率dBm计算公式：dBm10log(P)1uV
  • 以1uV作为基准，得到电压dBuV计算公式：dBuV20log(VI)uA

第13页：PCB元件的高频特性

PCB元件的高频特性

• 电磁兼容分析中必须考虑电子元件的高频特性元件低频特性高频特性导线电阻电容电感

第14页：导线的高频特性

导线的高频特性

• 导线的高频特性
  • 通过高频信号时，由于趋肤效应，导致电阻增加
  • 高频时导线的电感量不能忽视，一段1cm长，直径0.5mm的圆截面导线只有7nH左右的电感量，但在100MHz时，可造成4.4Ω左右的感抗
  • 高频电路中要重视导线（包括PCB连线）或元器件引线的阻抗，尽可能缩短长度或增加截面积
  • 平行导线间的互感一般都很小，但在高频时由它造成的线间耦合不可低估
  • 平行导线间还存在分布电容，在高频时即使很小的分布电容也会产生明显的电容性耦合干扰导线

第15页：电阻的高频特性

电阻的高频特性

• 电阻的高频特性
  • 包括引脚在内的等效电感值在10~30nH；分布电容为0.2uF~0.5uF
  • 在一定频率时，电阻值小的电阻以电感成分影响为主，电阻值高的电阻以分布电容影响为主，因此阻值小的电阻应选择电感量小的电阻
  • 对于阻值高的电阻，由于分布电容的旁路作用，使电阻的阻抗值大幅度降低，频率越高，阻抗降低越严重，甚至丧失电阻的作用电阻

第16页：电容的高频特性

电容的高频特性

• 电容的高频特性
  • 在高频电路中要重视包括引线电感在内的电容器的等效电感
  • 等效电感与电容组成的回路在特定频率上会产生共振，在共振频率上，电容器的阻抗最小。在此频率以上的电容器呈现电感性，其感抗随频率增加而增加，在某种意义上相当于一只电感电容

第17页：电感的高频特性

电感的高频特性

• 电感的高频特性
  • 电感线圈因高频电流流过会向周围散发出高频磁通，成为其它电路的干扰源
  • 电感本身也十分容易耦合外界的噪声
  • 工作在高频频带时，电感随工作频率的变高，其特性可能从电感性变为电容性电感

第18页：耦合可分为传导耦合和辐射耦合两类

耦合可分为传导耦合和辐射耦合两类

• 耦合是指设备（电路）与设备（电路）之间的电联系，将电磁能量从一个设备（电路）传到另一个设备（电路
• 耦合可分为传导耦合和辐射耦合两类
• 传导耦合
  • 指通过线路本身的电路形成的耦合，以及通过导体间的分布电容、互感而形成的干扰耦合，传导耦合包括
    • 直接传导耦合
    • 公共阻抗传导耦合
    • 电容耦合
    • 电感耦合等
• 辐射耦合
  • 指电磁能量以电磁场的形式从一个电路传输到另一个

第19页：传导耦合

传导耦合

• 传导耦合
  • 直接传导耦合
    • 电磁干扰信号通过导线直接侵入被干扰对象
    • 直接传导耦合的抑制方式
    • 干扰信号通过导线传输时有两种形式

第20页：传导耦合：直接

传导耦合：直接

• 传导耦合
  • 直接传导耦合
    • 差模信号传输

第21页：传导耦合：直接

传导耦合：直接

• 传导耦合
  • 直接传导耦合
    • 共模信号传输

第22页：传导耦合：直接

传导耦合：直接

• 传导耦合
  • 直接传导耦合
    • 交流电源滤波器基本电路输入N

第23页：传导耦合：公共阻抗

传导耦合：公共阻抗

• 传导耦合
  • 公共阻抗传导耦合
    • 噪声源回路和受干扰回路之间存在着一个公共阻抗，噪声电流通过这个公共阻抗所产生的噪声电压，传导给受干扰的回路回路A回路B回路CR公共阻抗R公共阻抗R1R2R3电源电源I1I2I3I1I2I3

第24页：传导耦合：公共阻抗

传导耦合：公共阻抗

• 传导耦合
  • 公共阻抗传导耦合
    • 抑制公共阻抗传导的方法
    • 供电电路阻抗和公共地阻抗都是电路公共阻抗的一部分，可以通过改进PCB布线或电源、地的连线方式来完善ABCABCRARBRCRARBRC单点接地多点接地

第25页：传导耦合：公共阻抗

传导耦合：公共阻抗

• 传导耦合
  • 公共阻抗传导耦合
    • PCB布线中降低电源、地公共阻抗

第26页：传导耦合：电容耦合引起的感应电

传导耦合：电容耦合引起的感应电

• 传导耦合
  • 电容耦合（电场耦合
    • 电容耦合引起的感应电压正比于干扰频率和耦合电容CF，即频率越高、分布电容越大，电容耦合越明显
    • 电容耦合引起的感应电压与导线对地的分布电容成反比VSC1C2R1R2CFVSC1R1C2R2CF

第27页：传导耦合：抑制电容耦合的方法

传导耦合：抑制电容耦合的方法

• 传导耦合
  • 电容耦合（电场耦合
    • 抑制电容耦合的方法

第28页：传导耦合：通过分布电感使一个电

传导耦合：通过分布电感使一个电

• 传导耦合
  • 电感耦合（磁场耦合
    • 通过分布电感使一个电路中的信号辐射到另一个电路中的耦合方式
    • 干扰源的电流流过电感时产生磁场，时变的电流则产生时变的磁场，变化的磁场在邻近回路中引起变化的磁通，从而在该电路中产生感应电压U1磁场磁场RR2R2RR1R1U1I1UN

第29页：传导耦合：抑制电感耦合的方法

传导耦合：抑制电感耦合的方法

• 传导耦合
  • 电感耦合（磁场耦合
    • 抑制电感耦合的方法

第30页：PCB中的信号完整性

PCB中的信号完整性

• 信号完整性(SignalIntegrity)是指信号未受到损伤的一种状态，用于表示信号质量和信号传输后仍保持正确功能的特性
• 良好的信号完整性是指在需要时信号仍保持正确的时序和电平值
• 信号完整性问题可以导致信号失真、定时错误、数据/地址错误、控制线状态错误、系统误操作、直至系统崩溃

第31页：传输线原理

传输线原理

• 传输线原理
  • 传输线是两个或多个终端间有效传输电功率或电信号的传输系统，如金属导线、波导、同轴线和PCB连线
  • 传输线的特性阻抗C2C3C4L1L2L3L1'L2'L3'C1V1V2V3V4LLLZ1Z2Z3至无穷LV(x)CI(X)Z0

第32页：传输线原理：传输线效应的影响

传输线原理：传输线效应的影响

• 传输线原理
  • 传输线效应的影响
    • 当信号延迟时间大于信号跳变时间时，分析时必须把信号线当作传输线
    • 传输线的信号以光速或接近光速在两个设备间传送，由于分布电容、分布电感和有源器件，速度会有所降低
    • 传输线内部和周围存在电磁场，能量通过电磁场传输
    • 传输线阻抗匹配不好，就会出现功能性问题和EMI问题
    • 线路阻抗是影响传输特性的重要因素，如果阻抗匹配不当，信号会被反射，当发生多重反射时就会引起振荡

第33页：影响信号完整性问题

影响信号完整性问题

• 影响信号完整性问题
  • 传输延迟
  • 反射
  • 串扰
  • 过冲和下冲
  • 同步切换噪声
  • 接地反弹噪声

第34页：影响信号完整性问题：传输延迟

影响信号完整性问题：传输延迟

• 影响信号完整性问题
  • 传输延迟
    • 信号在PCB板的导线上以有限的速度传输，信号从发送端发出直到接收端收到，中间存在时间间隔，这就是传输延迟
    • 传输延迟对系统的时序产生影响
    • 信号延迟时间主要取决于导线的长度和导线周围介质的介电常数
  • 反射
    • 反射信号就是传输线上的回波
    • 当传输线的特性阻抗与负载阻抗不匹配时，信号功率的一部分传输到线上并到达负载处，另一部分则被反射
    • 若负载阻抗小于源阻抗，反射为负；反之，反射为正
    • 布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面不连续等因素的变化均会导致此类反射

第35页：影响信号完整性问题：串扰

影响信号完整性问题：串扰

• 影响信号完整性问题
  • 串扰
    • 信号在传输线上传播时，因电磁耦合对相邻的传输线产生不期望的电压噪声干扰
    • 串扰是两条信号线之间的耦合，由信号线之间的互感和互容引起
    • 串扰对邻近信号的传输质量造成影响，有可能引起假时钟，偶然性数据错误
    • 应用中，不可能、也没必要完全消除串扰，只要将其控制在系统所能承受的范围之内就不至于影响系统的工作
    • PCB板层的材质和结构、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性、信号线的端接方式等对串扰都有一定的影响

第36页：最高电平最低电平过冲过冲下冲下冲振铃振铃

最高电平最低电平过冲过冲下冲下冲振铃振铃

• 最高电平最低电平过冲过冲下冲下冲振铃振铃
• 影响信号完整性问题
  • 过冲和下冲（由信号反射引起
    • 过冲是信号跳变沿第一个超过设定电压的峰值或谷值，过度的过冲可能因超出器件的耐压范围而造成器件损坏
    • 下冲是指第二个超过设定电压的谷值或峰值，过度的下冲能够引起假的时钟或数据错误电平VHVOHVIHVILVOLVL时间

第37页：影响信号完整性问题：同步切换噪声

影响信号完整性问题：同步切换噪声

• 影响信号完整性问题
  • 同步切换噪声
    • 同步切换噪声：当PCB板上大量输出管脚在同一时刻从高电平向低电平切换、或者从低电平向高电平切换，会在相邻管脚引入噪声
    • 大量管脚从低向高切换，在邻近被干扰信号上可以观察到一个负电压噪声；大量管脚从高电平向低电平切换，在邻近被干扰信号上可以观察到一个正电压噪声总线状态同时切换邻近被干扰的信号

第38页：影响信号完整性问题：接地反弹噪声

影响信号完整性问题：接地反弹噪声

• 影响信号完整性问题
  • 接地反弹噪声
    • 由于器件内部的接地引脚与地平面之间存在引线电感，当信号状态翻转时所带来的电流变化会通过器件的寄生电感影响到地线，集成电路内部多个驱动器同时转换时就会在地线中产生较大的噪声信号状态切换地线

第39页：影响信号完整性问题：降低接地反弹噪声

影响信号完整性问题：降低接地反弹噪声

• 影响信号完整性问题
  • 接地反弹噪声
    • 降低接地反弹噪声

第40页：信号完整性问题的解决方法

信号完整性问题的解决方法

• 信号完整性问题的解决方法
  • 串扰和反射是破坏信号完整性的两个重要方面
  • 抑制串扰
    • 尽量选择慢速(边沿变化慢)的器件
    • 容性耦合和感性耦合产生的串扰随受干扰线路负载的增大而增大，所以减小负载可以减小耦合干扰的影响
    • 在布线条件许可的情况下，尽量减小相邻传输线间的平行长度或者增大可能发生容性耦合导线之间的距离
    • 在相邻的信号线间插入一根地线可以有效减小容性串扰
    • 感性耦合较难抑制，要尽量降低回路数量，减小回路面积，信号回路避免共用同一段导线
    • 相邻两层的信号层走线应尽量垂直，避免平行走线，减少层间的串扰

第41页：信号完整性问题的解决方法：在有专门电源层

信号完整性问题的解决方法：在有专门电源层

• 信号完整性问题的解决方法
  • 串扰和反射是破坏信号完整性的两个重要方面
  • 抑制串扰（续
    • 在有专门电源层、地层的多层PCB板中，把对串扰比较敏感的信号尽量安排在内层中
    • 通过端接，使传输线远端和近端的终端阻抗与传输线匹配，可大大减少串扰和反射干扰
  • 抑制反射
    • 高速数字系统中，传输线上阻抗不匹配会引起信号反射，减少和消除反射的方法是根据传输线的特性阻抗在发送端或接收端进行终端阻抗匹配，尽量使源反射系数或负载反射系数为0
    • 传输线的端接通常采用两种策略：使负载阻抗与传输线阻抗匹配，即并行端接；使源阻抗与传输线阻抗匹配，即串行端接

第42页：信号完整性问题的解决方法：抑制反射

信号完整性问题的解决方法：抑制反射

• 信号完整性问题的解决方法
  • 抑制反射
    • 发送端串行端接

第43页：信号完整性问题的解决方法：发送端串行端接

信号完整性问题的解决方法：发送端串行端接

• 信号完整性问题的解决方法
  • 抑制反射
    • 发送端串行端接

第44页：抑制反射

抑制反射

• 信号完整性问题的解决方法
  • 抑制反射
    • 发送端串行端接

第45页：发送端串行端接

发送端串行端接

• 信号完整性问题的解决方法
  • 抑制反射
    • 发送端串行端接

第46页：负载端并行端接

负载端并行端接

• 信号完整性问题的解决方法
  • 抑制反射
    • 负载端并行端接VCCVCC(a)简单并行端接(c)主动并行端接(b)戴维宁并行端接VCC(d)并行AC端接(e)二极管并行端接接收端IC芯片接收端IC芯片接收端IC芯片接收端IC芯片接收端IC芯片

第47页：PCB中的去耦电容

PCB中的去耦电容

• 在数字电路系统中，存在各种各样的噪声，如电网噪声、开关电源引起的噪声、电路状态切换引起的噪声
• 去耦电容可以防止噪声干扰从一个电路传导到另一个电路，从而改善整个系统的电磁兼容性能，提高系统的可靠性和稳定性
• 复杂电路板上，电源和地之间有大量的去耦电容，一方面确保为系统提供稳定、低纹波的直流供电，同时也可以防止电路板上的干扰噪声通过电源线传导到电网或外部其它系统中

第48页：电源信号上的去耦电容实例

电源信号上的去耦电容实例

• 电源信号上的去耦电容实例

第49页：芯片电源引脚去耦电容作用

芯片电源引脚去耦电容作用

• 芯片电源引脚去耦电容作用
  • 用作集成电路器件的蓄能电容，器件在正常工作时会因状态切换产生功耗的瞬间变化，蓄能电容可以避免因此引起供电电压的波动
  • 滤除该器件产生的高频噪声，避免噪声通过供电回路传播到整个系统中
  • 避免电源上的干扰噪声通过电源引脚进入集成电路

第50页：减少引线分布电感

减少引线分布电感

• 减少引线分布电感
  • 分布电感的存在使得电容对高频信号的去耦效果降低、甚至完全不起作用
  • 电解电容具有很大的电感，只适用于低频电路，如果在高频电路中使用，则应旁接一个高频特性好的其它电容，或使用钽电容替代电解电容
  • 尽量采用表贴封装，减少引线分布电感电源引脚电源引脚通过过孔连到信号地通过过孔连到电源通过过孔连到信号地通过过孔连到电源贴片去耦电容贴片去耦电容集成电路器件