本书定位为PCB的EMC设计参考书,谨供各硬件工程师进行PCB设计时参考;众所周知PCB的设计要综合考虑功能实现、成本、生产工艺、EMC、美观等多种因素,片面的强调EM计,生搬硬套文中的只言片语都是不可取甚至错误的做法,一个杰出的CAD工程师其过人之处在于充分借鉴现有工作经验,在多种因素中进行折衷考虑,成功的完成原理图的物理实现。文中的有些观点、建议仅仅是现有工作经验的总结,由于EMC领域的诸多未知因素,加上编者的水平有限,错误、疏漏之处在所难免,还望大家不断批评、指正
内部公开 为技PCB的EMC设计指南 EMCPCBOOOI 目录 前言 ··············,·······.·.·· 8 第一部分布局 ···:· 10 ,层的设置 10 1.1合理的层数 1.1.1Vcc、GND的层数 ····· ,,,,,,,,10 1.1.2信号层数 12单板的性能指标与成本要求 10 13电源层、地层、信号层的相对位置 垂·番 1.3.1ⅴc、GND平面的阻抗以及电源、地之间的EMC环境问题 1.3.,2Vcc、GND作为参考平面,两者的作用与区别 1.3.3电源层、地层、信号层的相对位置 2,模块划分及特殊器件的布局 16 2.1模块划分 16 2.1.1按功能划分 2.1.2按频率划分 16 2.1.3按信号类型分 16 2.1.4综合布局 2,2特殊器件的布局 17 2.2.1电源部分 17 222时钟部分 8 223电感线圈 .....,,,,.,,,,..,....18 22.4总线驱动部分 ·..·:·.·:····· 8 2.2.5滤波器件 垂垂鲁音音 19 3、滤波 21 3.1概述 21 3.,2滤波器件 3.2.1电阻 22 3.2.2电感 22 323电容 23 3.2.4铁氧体磁珠 23 3.2.5共模电感 23 33滤波电路 24 33.1滤波电路的形式 24 33.2滤波电路的布局与布线 34电容在PCB的EMC设计中的应用 25 3.4.1滤波电容的种类 3.42电容自谐振问题 音看 25 3.4.2ESR对并联电客幅频特性的影响 27 34.3ESL对并联电容幅频特性的影响 27 3.4.4电容器的选择 28 345去耦电容与旁路电容的设计建议 29 34.6储能电谷的设计 30 2000-09 版权所有,侵权必究 第3页,共94页 内部公开 为技PCB的EMC设计指南 EMCPCBOOOI 4,地的分割与汇接 32 41接地的含义 4.2接地的口的 ,,,,32 4.3基本的接地方式 32 4.3.1单点接地 32 4.3.2多点接地 33 4.34以上各和方式组成的混合接地方式 34 44关于接地方式的一般选取原则 44.1系统接地方式 D···· 34 4.42背板接地方式 34 44.3单板接地方式 34 第二部分布线 ,,,,,,,,,,,,36 1,传输线模型及反射、串扰 36 1.1概述 36 1.2传输线模型 ··· 36 1.3传输线的种类 ,36 1.3.1微带线( microstrip) ,36 1.3.2带状线( Stripline ...37 1.3.3嵌入式微带线 1.4传输线的反射 ,38 1.3串扰 40 2,优选布线层 21表层与内层走线的比较 42 21.1微带线( Microstrip) b音鲁鲁音 ,,,,,,,42 21.2带状线( Stripline) ····: 43 2.1.3微带线与带状线的比较 43 22布线层的优先级别 ·音···香 ··· ·鲁着 45 3,阻抗控制 47 3.1特征阻抗的物理意义 47 3.1.1输入阻抗: ·音·· 着鲁 春鲁看 ,,,,,,,,,,,,47 3.1.2特征阳抗 着鲁 47 3.1.3偶模阻抗、奇模阻抗、差分阻抗 48 3.2生产工艺对对阻抗控制的影响 ,,,50 3.3差分阻抗控制 ,,,,51 33.当介质厚度为5mi时的差分阻抗随差分线间距的变化趋势 3.3.2当介质厚度为13mil时的差分阻抗随差分线间距的变化趋势 33.3当介质厚度为25mi时的差分阻抗随差分线间距的变化趋势 34屏蔽地线对阳抗的影响 54 341地线与信号线之间的间距对信号线阻抗的影响 .54 34.2屏蔽地线线宽对阻抗的影响 55 3.5阻抗控制案例 56 4,特殊信号的处理 8 5,过孔 5.1过孔模型 ...59 5.1.2对过孔模型的影响因素 60 2000-09 版权所有,侵权必究 第4页,共94页 内部公开 为技PCB的EMC设计指南 EMCPCBOOOI 52过孔对信号传导与辐射发射影响 60 5.2.1过孔对阻抗控制的影响 60 5.2.2过孔数量对信号质量的影响 61 6跨分割区及开槽的处理 63 6.1开槽的产生 63 6.1.1对电源/地平面分割造成的开槽 63 6.1.2通孔过于密集形成开槽 63 6.2开槽对PCB板岀C性能的影响 63 6.2.1高速信号与低速信号的面电流分布, .,,.,,,,,,.,,,63 6.2.2分地”的概念 64 6.2.3信号跨越电源平面或地平面上的开槽的问题 65 6.3对开槽的处理 ,,,,,,,,,66 6.3.1需要严格的阻抗控制的高速信号线,其轨线严禁跨分割走线 63.2当PCB板上存在不相容电路时,应该进行分地的处理 66 63当跨开槽走线不可避免时,应该进行桥接 ················ · 66 6.34接插件(对外)不应放置在地层隔逢上 6.35高密度接插件的处理 66 63.6跨“静地”分割的处理 ...67 7,信号质量与EMC 69 71EMC简介 0 7.2信号质量简介 音音音 70 73EMC与信号质量的相同点 74EMC与信号质量的不同点 70 75EMC与信号质量关系小结 b音鲁鲁音看 71 第三部分背板的EMC设计 ····: 1背板槽位的排列 1.1单板信号的互连要求 ··· ·鲁着 ······· 2单板板位结构 2.1板位结构影响 2222 1.22板间互连电半、驱动器件的选 .·······:..······.:···· 鲁· 74 2,背板的EMC设计 酯着鲁 74 2.1接插件的信号排布与EMC设计 74 2.1.1接插件的选型 ·.·.····· 鲁··鲁章着 ·······:··· 74 2.1.2接插件模型与针信号排布 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,74 2.2阻抗匹配 2.3电源、地分配 75 2.3.1电源分割及热插拔对电源的影响 ,,,,,,75 2.3.2地分割与各种地的连接 ,,76 2.3.3屏蔽层 76 第四部分射频PCB的EMC设计 77 1,板材 鲁着音 翻看秦 77 1.1普通板材 77 12射频专用板材 77 2,隔离与屏蔽 ·····番番鲁音鲁···番鲁鲁鲁看鲁音鲁·着着着D鲁·音着 ,,77 21隔离 78 2000-09-0)1 版权所有,侵权必究 第5页,共94页 内部公开 为技PCB的EMC设计指南 EMCPCBOOOI 2,2器件布局 78 23敏感电烙和强辐射电路 78 24屏蔽材料和方法 79 2.5屏蔽腔的尺寸 3,滤波 81 3.1电源和控制线的滤波 3.2频率合成器数据线、时钟线、使能线的滤波 2 接地 83 4.1接地分类 4.2人面积接地 垂番音 83 4.3分组就近接地 44射频器件接地 ······· 看看 3 4.4接地时应注意的问题 84 4.5接地平面的分布 4 5,布线 ·· 84 5.1阻抗控制 ,84 52转角 53微带线布线 54微带线耦合器 85 5.5微情线功分器 86 56微带线基本元件 86 57带状线布线 88 58射频信号走线两边包地铜皮 88 6,其它设计考虑 9 第五部分附录 1,PCB设计中的安规考虑 90 1.1引|言 ·.··············:······ ·鲁着 90 2安全标识 ··· 90 2.1对安全标识通用准则 90 122电击和能量的危险 番,鲁··谁 90 着鲁 1.23PCB上的熔断器 12.4可更换电池 9 1.3爬电距离与电气间隙 ··:.···· ·····:· .,.92 1.4涂覆印制板 93 14.ⅠPCB板的机械强度 1.4.,2印制板材料的阻燃等级 93 1.4.3热循环试验与热老化试验 93 14.4抗电强度试验 ·.· 14.5耐划痕试验 93 1.5布线和供电 2000-09-0)1 版权所有,侵权必究 第6页,共94页 内部公开 为技PCB的EMC设计指南 EMCPCBOOOI PCB的EMC设计指南 关键词:电磁兼谷性(EMC)、电磁扰(EMI) 摘要:本书旨在对我司PCB的EMC设计现有成果加以总结、推广,同时对一些未知的领域进行 积极的探索。结合我司PCB设计过程中的经验教训以及产品的EMC测试数据,我们对 PCB的EMC设计进行了较系统的总结,谨供各硬件工程师进行PCB的EMC设计时参考。 缩咯语清单: EMC-Electromagnetic Compatibility EMI: Electromagnetic Interference 参考资料清单: 《 High-Speed Digital Design》 《 Emi book》 《实践电磁兼容技术》(杨继深) 《EMC培训讲义》( Training for emc design) 《如何设计符合电磁兼容要求的印刷电路板布线》 《电子电路实用抗干扰技术》 《电磁兼容原理与改计》(电子科大) K IEC 60950 <Safty of Infomation Technology Equiment GB4943-2000《信息技术设备的安全》 华为公司內部规范:《PCB设计规范》; 有关EMC测试文档、PCB设计案例等 2000-09-0)1 版权所有,侵权必究 第7页,共94页 内部公开 为技PCB的EMC设计指南 EMCPCBOOOI PCB的EMC设计指南 前言 随着我司海外市场的不断拓展,在面临巨大市场机会的同时,我们也必将面临一系列的挑 战。关税壁垒即将灰飞烟灭,技术壁垒早已浮出水面;首当其冲也极容易被人忽略的便是EMC (电磁兼容性)问题。 电磁兼容(EMC- Electromagnetic Compatibility),根据国家车用标法(JB72-85电磁扰和电 磁获容性名问术语》第5.10条,定义为;“设备(分系统、系统)在共同的电磁环境中能一起执行各 自功能的共存状态。即:该设备不会由于受到处于同一电磁环境中点他设备的电磁发射导致或遵 受不公许的烽级;它也不会使同一值磁环境中其他设备分系统、系统),因受其电磁发射历导致或 遭受不允许的摩级。 挑战面前,公司有关部门纷纷摩拳擦掌,并切实开展了一系列的工作;EMC特别工作小组、 EMC实验室、CAD硏究部、SI硏究部、机电工程部以及相关广品线均做出一些探索性的工作;但 到日前为止,多数还停留在后期的测试、修补方面。纵观国内外业界精英的做法,无一不是在产 品的预研、开发阶段投入大量精力,在设计阶段开展EMC工作,避免可能出现的电磁兼容问题 对于我们现有的测试——修改——测试的EMC设计,不仅会增加成本、延误开发周期,而且可能 造成版本增加、维护不便;而业界流行的系统设计法,其精髓就是从源头抓起、综合考虑、系统 设计; 作为EM的源头,器件选型、原理、PCB设计已逐渐引起有关部门的重视;CAD、北研、 EMC实验室均组建了以EMC为活动宗旨的QCC圈。尤其是CAD室的无花果圈,在圈长吕鸿涛的带 动下,不放过每一根走线,每一个过孔,凭着踏踏实实的作风,有效的推动了PCB的EMC设计工 作。更难能可贵的是,它唤起了CAD工程师、硬件开发人员对PCB的EMC设计的重视,推动了公 司的相应技术进步。 为了对PCB的EMC设计现有成果加以总结、推广,同时对一些未知的领域进行积极的探 索,在硬件工程室周代琪、櫥泽良等领导的推动下,以CAD室、EMC特别工作小组、S研究部为 主,在机电部、EMC实验室、传输产品线的积极参与下,《PCB的EMC设计指南》终于与大家见 面了。在此,对参与书编写的钟章明、姚习武、何平华、潘丰斌、孟繁涛等同事表示热烈的祝 贺,对积极提供资料、参与评审、校正的吕鸿涛、姜向忠、胡庆虎、南建峰、吴雨佳、沈晓兰 吴均、于小卫、唐晟等同事、领导表示衷心的感谢,对自始至终参与指导、评审的EMC特别工作 小组的全体成员表示由衷的谢意。 参与本书编写的有 汤昌茂 前言部分,布局部分第1、4章,布线部分第2、4、7章 钟章明 布线部分第3、5章,背板部分 2000-09-0)1 版权所有,侵权必究 第8页,共94页 内部公开 为技PCB的EMC设计指南 EMCPCBOOOI 姚习武 布局部分第3〔部分)章,布线第6章,附录(安规) 孟繁涛 布局部分第3(部分)章,布线部分第1章 何平华 射频部分 潘丰斌 布局第2章 汤吕茂负责本书的校核和编辑。对以上各位同事的辛勤劳动表示衷心的感谢 本书定位为PCB的EMC设计参考书,谨供各硬件工程师进行PCB设计时参考;众所周知 PCB的设计要综合考虑功能实现、成本、生产工艺、EMC、美观等多种因素,片面的强调EMC设 计,牛搬硬套文中的只言片语都是不可取甚至错误的做法,一个杰出的CAD工程师其过人之处在 于充分借鉴现有工作经验,在多种因素中进行折衷考虑,成功的完戊原理图的物理实现。文中的 有些观点、建议仅仅是现有工作经验的总结,由于EMC领域的诸多未知因素,加上编者的水平有 限,错误、疏漏之处在所难免,还望大家不断批评、指正 对于本文的任何不明白之处,以及任何有益建议请与CAD室(兼EMC特工组)的汤昌茂联 系(NOES:09351),我们非常乐意与您一起,共同探讨实际PCB的EMC设计过程中的任何问 题 编者2000-0901 2000-09-0)1 版权所有,侵权必究 第9页,共94页 内部公开 为技PCB的EMC设计指南 EMCPCBOOOI 第一部分布局 1,层的设置 在PCB的EMC设计考虑中,首先涉及的便是层的设置;单板的层数由电源、地的层数和信号 层数组成;电源层、地层、信号层的相对位置以及电源、地平面的分割对单板的EMC指标至关重 要 11合理的层数 根据单板的电源、地的和类、信号密度、板级工作频率、有特殊布线要求的信号数量,以及 综合单板的性能指标要求与成本承受能力,确定单板的层数;对于EMC指标要求苛刻(如:产品 需认证 CISPR16 CLASS B)而相对成本能承受的情况下,适当增加地平面乃是PCB的EMC设计的 杀手锏之一。 111Vcc、GND的层数 单板电源的层数由其种类数量决定;对于单一电源供电的PCB,一个电源平面足够了;对于 多种电源,若互不交错,可考虑采取电源层分割(保证相邻层的关键信号布线不跨分割区);对 于电源互相交错(尤其是象8260等IC,多种电源供电,且互相交错)的单板,则必须考虑采用2个 或以上的电源平面,每个电源平面的改置需满足以下条件: 单电源或多种互不交错的电源; 相邻层的关键信号不跨分割区 地的层数除满足电源平面的要求外,还要考虑 ·元件面卜面(第2层或倒数第2层)有相对完整的地平面 髙频、高速、吋钟等关键信号有相邻地平面 关键电源有一对应地平面相邻(如48V与BGND相邻) 112信号层数 在CAD室现行工具软件中,在网表调入完毕后,EDA软件能提供一布局、布线密度参数报 告,由此参数可对信号所需的层数有个大致的判断;经验丰富的CAD工程师,能根据以上参数再 结合板级工作频率、有特姝布线要求的信号数量以及单板的性能指标要求与成木承受能力,最后 确定单板的信号层数。 信号的层数主要取决」功能实现,从EMC的角度,需要考虑关键信号网络(强辐射网络以及 易受干扰的小、弱信号)的屏蔽或隔离措施。 12单板的性能指标与成本要求 2000-09-0)1 版权所有,侵权必究 第10页,共94页