PCB EMC设计流程与步骤

描述

PCB 电磁干扰原理

电子产品单板PCB对外产生的干扰既可能是差模干扰,也可能是共模干扰。产生干扰的原因是单板PCB上存在着对应的共模(CM)干扰电流和差摸(DM)干扰电流。单板上产生的干扰以传导或辐射的方式对外形成发射,从而导致产品EMC问题。

共模干扰电流与差模干扰电流如下面两个图所示:

EMC设计

对于共模干扰(Common-mode)电流,是指两导线上的干扰电流振幅相等,而方向相同。如下图所示,在通过分布参数,与地参考平面形成了共模环路,就有共模电流在环路流过。

EMC设计

对于差模干扰(Differential-mode)电流,是指两导线上的干扰电流,振幅相等,方向相反。如下图所示,差分信号对之间的电流以及信号和其对于的地上回流,就属于差模电流。

EMC设计

根据电磁场理论,差摸干扰电流,信号和回流电流都是相互反方向的,差摸电流存在180度的相位差,因此差模电流的磁场主要集中在差模电流构成的回路面积之内,而回路面积之外的磁力线会相互抵消。共模电流方向是相同的,在回路面积之外,共模电流产生的磁场方向相同,磁场强度反而加强。通常产品对外的干扰多以共模为主。

EMC设计

要精确计算PCB对外的辐射很难,业界通常根据PCB上差模电流和共模电流近似的辐射天线模型,来计算对外干扰的场强大小,即PCB中辐射出来的RF能量。

PCB单板上有许多信号环路,如信号与信号地之间环路,电源与其相应地之间的环路,都

是差模电流环路。计算差模辐射强度时,可以近似等效为环天线模型。

EMC设计

环天线模型的辐射强度由下式计算:

E=263*10-16f2AI/r

其中

E:电场强度(V/m); f :电流的频率(MHz);A:电流的环路面积(cm2);I :电流的强度(mA)

r :测试点到电流环路的距离(m)

PCB单板上也存在共模信号环路,如外接电缆与大地之间的环路,就是共模电流环路。计算共模辐射强度时,可以近似等效为单级天线模型,也有称为棒天线模型。

EMC设计

单极天线模型的辐射强度由下式计算:E=12.6*10-7fIL/r

其中

E:电场强度(V/m);f :电流的频率(MHz); L:电缆的长度(m)I :电流的强度(mA)

r :测试点到电流环路的距离(m)

由于在PCB单板上存在差模干扰和共模干扰,在PCB布局与布线时,需要根据上述干扰的原理,尽量减小差模信号环路面积,减小共模电流,来降低单板PCB对外的干扰。

PCB EMC设计原则

根据电磁兼容要求,产品需要通过PCB设计,来降低单板对外的电磁干扰,同时需要抑制外来的电磁干扰。因此在PCB设计时需要注重以下几个大原则:

1、需要减小单板的走线长度以及走线差模环路面积,因为差模环路面积越大,对外的干扰越大,同时单板的抗干扰能力也越弱;

2、注意单板的地设计,需要降低单板的地阻抗,减小单板的共模电压幅度,降低对外的辐射干扰,同时降低外来干扰在单板上形成的共模电压差;

3、注意强干扰模块与其他数字电路以及模拟电路的距离,因为距离越远,相互之间干扰耦合越小;

4、注重元器件的布局和走线设计,因为单板PCB走线在高频电磁干扰情况下,就是天线,容易导致对外的辐射以及耦合外来干扰。

PCB EMC设计流程与步骤

根据单板的特点,在PCB设计时,按照如下顺序进行:

1、首先了解PCB上功能实现原理,根据不同的电路功能进行模块的划分;

2、了解PCB上各个功能电路之间的连接关系,考虑走线的顺畅;

3、确定PCB上各个功能模块内主要器件的位置摆放;

4、确定PCB上地分割以及地之间的连接关系;

5、进行重要功能器件以及滤波器件的布局;

6、进行单板的布线设计。

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