用于改善 EMC 的 PCB 設(shè)計的原理介紹

本應(yīng)用說明適用于具有 PCB 設(shè)計基礎(chǔ)知識以改進(jìn) EMC 的硬件和/或 PCB 設(shè)計人員。基本上解釋了大多數(shù)設(shè)計規(guī)則的背景，但詳細(xì)解釋會使應(yīng)用筆記的結(jié)構(gòu)超載。市場上有大量關(guān)于 EMC、屏蔽、布線等系統(tǒng)設(shè)計的文獻(xiàn)。因此，EMC 的這些方面在這里只涉及很少的部分。本應(yīng)用說明針對 NEC 微控制器附近 PCB 設(shè)計的詳細(xì)方面。

介紹

如今，隨著趨勢的增加，大多數(shù)汽車、消費和工業(yè)應(yīng)用通常都包含一個或多個微控制器。通常幾個電子模塊構(gòu)建一個應(yīng)用系統(tǒng)，當(dāng)然幾個應(yīng)用程序和/或系統(tǒng)可能在附近運行。由于電子應(yīng)用數(shù)量的增加，它們在任何給定環(huán)境中的密度都在增加。因此，如下圖 1 中的曲線 1 所示，在給定地點長時間觀察到的環(huán)境電磁噪聲會增加。只要電子設(shè)備在任何給定時間點的抗擾度高于環(huán)境電磁噪聲，其功能就不會受到影響。

首先，優(yōu)秀的EMC設(shè)計的基礎(chǔ)是良好的電氣和機械設(shè)計原則的應(yīng)用。這其中包括可靠性考慮，比如在可接受的容限內(nèi)設(shè)計規(guī)范的滿足、好的組裝方法以及各種正在開發(fā)的測試技術(shù)。

一般來說，驅(qū)動當(dāng)今電子設(shè)備的裝置要安裝在PCB上。這些裝置由具有潛在干擾源以及對電磁能量敏感的元件和電路構(gòu)成。因此，PCB的EMC設(shè)計是EMC設(shè)計中的下一個最重要的問題。有源元件的位置、印制線的走線、阻抗的匹配、接地的設(shè)計以及電路的濾波均應(yīng)在EMC設(shè)計時加以考慮。一些PCB元件還需要進(jìn)行屏蔽。

再次，內(nèi)部電纜一般用來連接PCB或其他內(nèi)部子組件。因此，包括走線方法和屏蔽的內(nèi)部電纜EMC設(shè)計對于任何給定器件的整體EMC來說是十分重要的。

長期環(huán)境噪聲發(fā)展

很明顯，如果達(dá)到的交叉點 P，整個電子市場就會崩潰。因此，電子市場必須采取措施提高電子系統(tǒng)的電磁兼容性 (EMC)，從而不斷將 P 點推向時間線上的無窮大。

從 EMC(電磁兼容)設(shè)計的角度出發(fā)，PCB 板的 EMC 設(shè)計是 EMC 系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。而 PCB 板 EMC 設(shè)計的開始階段就是層的設(shè)置，層設(shè)計形式的不合理，就可能產(chǎn)生諸多的噪聲而形成 EMI 干擾和自身的 EMC 問題，所以合理的層布局與電路設(shè)計同樣重要。

要使 PCB 系統(tǒng)的層布局達(dá)到其電磁兼容性要求，通常系統(tǒng)層布局需要從三點出發(fā)：相應(yīng)的功能模塊分布;綜合單板的性能指標(biāo)要求;成本承受能力。PCB 板層就是由電源層、地層和信號層組成。層的選擇、層的相對位置以及電源、地平面的分割分布將對 PCB 板的布線、信號質(zhì)量、接口電路的處理以及對單板的 EMC 指標(biāo)起著至關(guān)重要作用，也直接影響到整臺設(shè)備的電磁兼容性。

背景

電磁兼容性 (EMC) 是從相反方向觀察的兩個類似問題的通用術(shù)語。電磁輻射 (EME) 描述了當(dāng)被測設(shè)備 (DUT) 是噪聲源時的影響，而電磁敏感性 (EMS) 描述了當(dāng) DUT 成為噪聲的受害者時的影響。根據(jù) NEC Electronics (Europe) GmbH(以下簡稱 NEC EE)的經(jīng)驗，EMC 相關(guān)客戶支持的主要要求是 EME 問題。因此本應(yīng)用筆記中的描述主要使用EME-view。然而，僅從相反的方向來看，此處描述的大多數(shù)措施也適用于 EMS。

· 直接半導(dǎo)體遠(yuǎn)場發(fā)射

· 發(fā)射可能以輻射或傳導(dǎo)方式發(fā)生，后者表現(xiàn)為噪聲電壓或噪聲電流。眾所周知，微控制器等半導(dǎo)體設(shè)備是 EME 的來源。眾所周知，越靠近噪聲源，EME 對策越便宜。由于大多數(shù)規(guī)范的輻射 EME 測量都是針對遠(yuǎn)場 (r > λ) 定義的，因此本應(yīng)用筆記將從半導(dǎo)體器件直接發(fā)射到遠(yuǎn)場的觀點開始。導(dǎo)線中的任何電流都會引起遠(yuǎn)場發(fā)射。為了了解最大預(yù)期半導(dǎo)體發(fā)射水平，應(yīng)計算直線(赫茲偶極子)和具有極端參數(shù)的電流回路的最壞情況發(fā)射。

· 直導(dǎo)線(赫茲偶極子)

· 根據(jù) [1] 在自由空間(周圍無導(dǎo)電材料)中，在距離“r”處測得的最大電場“E”由波長為“λ”的電流“i”在 a 中流動引起長度為“l(fā)”的導(dǎo)線可以計算如下：

[tex]E= frac {Z_{0} 乘以 i hspace {1mm} 乘以 l}{2 hspace {1mm} 乘以 r hspace {1mm} 乘以 lambda}[/tex]