印制电路板的电磁兼容性预测

《现代电子技术》2002年第8期总第139期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

收稿日期:20020618

仿真与测试

印制电路板的电磁兼容性预测

Electromagnetic Compatibility Prediction on Printed Circuit Board

莫付江

阮江军

陈允平

M O Fujiang, R U A N Jia ng jun, CHEN Y unping (武汉大学电气工程学院　武汉　430072)

(Schoo l of Elec t ri cal Engineering , Wuhan Universi t y , Wuhan , 430072, Chi na )

摘　要:以有限元数值计算方法和SP ICE 仿真软件为工具, 通过对印制电路板(P CB) 耦合微带线的电磁兼容性预测, 来对具有不同厚度P CB 的电磁干扰水平进行估计分析。并对利用屏蔽地线把低频信号迹线和高速数字信号迹线分开来降低EM I 水平的方法给以预测评估。最后归纳总结出影响P CB 电磁兼容性能的因素, 找出PCB 设计中电磁兼容性(EM C) 适应性方法的指导性原则, 为P CB 的电磁兼容性设计提供参考依据。

关键词:印制电路板; 串音; 电磁干扰; 电磁兼容预测; 屏蔽地线

1　引　言

电磁兼容性预测是一种通过理论计算对电子电气设备或系统的电磁兼容性程度进行分析评估的技术。这项技术通常应用在设备或系统研制的方案设计和工程研制阶段。印制电路板(PCB) 的电磁兼容性预测是通过分析计算找出其上产生干扰或易受干扰影响的因素, 以便于确定其设计的电磁兼容性控制技术, 最终实现电磁兼容。也只有通过准确的(串音) 预测, 才能保证设计出高质量的PCB, 才能事先采取必要的措施降低串音、减小电磁干扰, 从而保证电子电气设备的电磁兼容性。因此电磁兼容性分析和预测是电磁兼容性设计的基础和依据。理论分析和实际应用都表明, PCB 的电磁干扰主要由电源噪声、阻抗不匹配、串音等引起。至于外部电磁场引起的干扰, 以及PCB 对外辐射电磁干扰噪声, 在不考虑外接电缆的天线效应情况下, 基本上是与电源噪声、阻抗不匹配、串音等问题相联系的。因此能正确地分析出产生3种问题的机理, 估计出主要影响因素, 并找出减小这些问题的具体措施, 就能有效地抑制外部电磁干扰, 同时也能降低对外辐射电磁干扰能量。

印制电路板印制迹线通常可以用微带线或带状线模型来模拟。我们提出过把电磁场和电路结合起来进行PCB 串音预测的方法。该方法以PCB 上的微带线为例, 以微带线中传输信号是准TEM 模电磁波为前提, 通过有限元数值方法计算出微带线上场分布, 再在传输线基本理论的基础上, 利用SPICE 技术来仿真和预测串音。采用本方法对印制电路板印制迹线在符

合3W 布线规则以及不符合3W 布线规则两种情况下的串音进行了预测, 并考虑印制迹线长度变化对串音的影响。用此方法对地线、地线网格、整块导体地线面3种结构的串音进行了预测。经预测发现, 印制电路板的布线一定要遵守3W 布线规则, 才能使串音降低; 减小线路平行长度能明显的降低串音。我们还发现, 在PCB 上参考地的存在对于系统设计满足EM C 标准至关重要, 尤其是整块导体地线面能最大限度地减小和抑制串音。

本文仍然以FEM -SPICE 为工具, 通过对PCB 耦合微带线的串音预测, 来对具有不同厚度PCB 的电磁干扰水平进行估计分析, 并对通过采用屏蔽迹线把低频信号迹线和高速数字信号迹线分开来降低电磁干扰水平的方法给以预测评估, 从而找出PCB 设计中EMC 适应性规律, 为PCB 的电磁兼容性设计提供参考依据。

2　PCB 介质材料厚度对电磁干扰的影响

设考虑PCB 的尺寸面积为100mm ×50m m, 其上设置2条印制迹线和整块导体地线面, 图1为其横

截面示意图。

图1　P CB 模型横截面示意图

印制电路板的电磁兼容性预测

分5种情况考虑, 其中PCB (1) ～(3) 为双层板, PCB (4) 和PCB (5) 表示多层板情况。图中单位都是mm , 并设多层板各层厚度是均匀的, 介质材料均为环氧树脂, 介电常数E r =4. 7。

表1　图1中5种PC B 板的等效电气参数

电容C , 互容C 12, 电感L , 互感M 12耦合系数K ,

特征阻抗Z (单位cm )

C 1=C 2=0. 8752pF , C 12=0. 0316pF ;

PCB (1)

L 1=L 2=4. 1379nH , M 12=0. 3989

nH , K =0. 0964C 1=C 2=0. 5881pF , C 12=0. 08pF ;

PCB (2)

L 1=L 2=5. 4894nH , M 12=1. 0894nH , K =0. 1985C 1=C 2=0. 4733pF , C 12=0. 1137pF ;

PCB (3)

L 1=L 2=6. 3279nH , M 12=1. 7201nH , K =0. 2718类别

C 1=0. 3112pF , C 2=0. 9793pF , C 12=0. 5301pF ;

PCB(

4) K =0. 4242,

L 1=5. 5258nH , L 2=4. 1448nH , M 12=2. 0301nH C 1=0. 9793pF , C 2=0. 3112pF , C 12=0. 5301pF ;

PCB (5) K =0. 4242,

L 1=4. 1448nH, L 2=5. 5258nH, M 12=2. 0301nH

集总参数等效电路分析电气短传输线路(传输线长度与传输信号波长相比可忽略) 的串音问题。仿真计算的条件是在干扰源线和受扰线两端分别接508的电阻, 干扰源线一端接1V 的交流激励电压源, 并把受扰线与干扰线激励源相同的一端称为近端, 另一端称为远端。图3是图1中5种结构PCB 仿真计算结果, 由于文章篇幅所限, 在此只给出近端响应。图中纵坐标是以分贝表示的串音大小, 横坐标是预测的频率范围。

图2是多层PCB 微带线场分布, 双层板的电磁场分布我们已经作过介绍。从图2可以看出干扰源线与

受扰线之间场的叠加已经相当严重, 因此它们之间的耦合量也相当大。利用有限元方法分别计算图1中5种结构PCB 印制迹线的电磁场分布和等效电气参数。电容、电感、互容、互感及特征阻抗计算结果在表1列出, 并以数字1代表干扰源线, 即C 1、L 1、Z 1分别是干扰源线的自容、自感、特征阻抗。数字2代表受扰线, 自容、自感、特征阻抗分别用C 2、L 2、Z 2表示。而以C 12、M 12分别表示干扰源线与受扰线之间的互容、互感。

图3　串音响应曲线

首先分析双层PCB 的情况。图3中曲线1, 2, 3分别表示双层PCB 介质材料厚度为0. 5mm , 1mm , 1. 5mm 时的串音响应图形。可以看出, 受扰线的串音

响应随PCB 介质材料的厚度增加而呈现线性增大趋势。这种现象也可以从信号环路面积大小来分析。由于交流高频信号总是流过阻抗最小的路径, 因此PCB 印制迹线上流通信号总是沿其垂直下方的地线返回。它的信号环路面积等于印制迹线的长度乘以PCB 介质材料的厚度。当介质材料厚度增加时, 信号环路面积也就相应地增大。信号环路面积的增大是串音上升的主要原因, 当然, 信号环路面积的增大也会使信号线产生更多的电磁干扰辐射噪声, 同时受外界电磁干扰噪声影响的敏感性更强。因此, 我们可以得出一条重要的结论, 对于双层PCB , 为了使其设计能够满足EMC 标准要求, 在满足强度要求的前提下, 应尽可能地选择较薄的PCB 原材料板。

再来分析多层PCB 的情况。图3中曲线4和曲线

图2　PCB(4) 和P CB(5) 电磁场分布图

5为图1两种多层PCB 结构的串音响应。对照表1等效电气参数可以看出, 这两种结构布局的干扰源线和

(1)

受扰线电气参数不再互相对称。干扰源线在受扰线正下方时(PCB (5) 结构) , 串音最大, 约比干扰源线在受扰线正上方时(PCB (4) ) 高近3dB , 而比PCB (1) 结构要高20dB 。这说明多层PCB 的使用不正确, 还会增加电磁干扰水平。因此我们进行PCB 设计时, 不能盲目地选用昂贵的新材料, 一定要理解电磁干扰产生的机理以及影响因素, 才能采取有针对性的电磁

表中耦合系数K 是根据下式计算的:

K =

L 1×L 2

　　根据传输线理论, 对计算结果进行SPICE 电路仿真, 即可直观地看出不同结构PCB 干扰源线对受扰线产生的干扰量。依据传输线理论和SPICE 电路仿真软件进行串音计算的方法我们也已做过介绍, 本文采用

《现代电子技术》2002年第8期总第139期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　兼容措施。

3　屏蔽地线对EMI 的抑制作用

PCB 设计中, 对于一些关键信号线或者敏感信号线往往采用屏蔽地线的方法, 即在信号线附近放置一条平行地线, 使得关键信号线或者敏感信号线与其它信号线的耦合作用降低, 进而抑制电磁干扰的辐射。下面我们也将通过串音预测的方法来对屏蔽效果进行估计论证。对图4所示4种PCB 结构进行分析, 分别计算出它们的等效电气参数, 结果由表2给出。PCB (6) 与PCB(7) 两种结构为具有整块导体地线面时没有屏蔽地线和有屏蔽地线的情况, PCB(8) 和PCB(9) 则为没有整块导体地线面条件下没有屏蔽地线和有屏蔽地线的2种结构。

并尽可能地使用整块导体地线面。

仿真与测试

图5　P CB (6) 、PCB (7) 串音响应

图6　P CB(8) 、PCB(9) 串音响应

然后我们分析屏蔽地线的作用。图5和图6中曲

图4　P CB 横截面示意图

线3和曲线4均为有屏蔽地线情况下的串音。可以看出比没有屏蔽地线时的串音曲线1和曲线2都低许

多, 即有屏蔽地线时印制迹线间的串音小于没有屏蔽地线时的串音。很显然, 屏蔽地线起到了作用, 特别是对于没有整块导体地线面的情况, 近端和远端串音均降低了10dB 以上。在有整块导体地线面时, 近端串音降低了约7dB , 而远端串音降低了近15dB 。

通过以上预测和对比分析, 我们可以看出屏蔽地线起到了良好地抑制串音的效果, 当然对EM I 噪声也起到了很好的抑制作用。因此对于PCB 的电磁兼容性设计, 应当把那些具有高噪声干扰和高敏感性的印制迹线用屏蔽地线屏蔽起来。4　结　论

综合本文工作, 可以得出以下结论:

(1) PCB 上印制迹线可以采用传输线理论来分析。通过对它们串音的预测可以分析出影响它们电磁兼容性的因素, 从而在PCB 布局阶段就采取有针对性的防护措施。

(2) PCB 材料厚度会影响整套电子电气系统或设备的电磁兼容性能。在满足固定和支撑元器件的强度要求情况下, PCB 应选用尽量薄的原材料板。降低厚度实际上是减小了传输线的回路面积, 从而减小了耦

表2　PC B (6) 和PCB (7) 两种模型的等效电气参数

模型PCB(6)

　　等　效　参　数

C 2=L 2=C 2=L 2=C 2=L 2=C 2=L 2=

0. 5816pF , C 12=0. 0074pF, R =97. 285. 49nH , M 12=0. 4215nH , K =0. 07680. 6608pF , C 12=0. 0074pF, R =81. 88

4. 427nH , M 12=

0. 1439nH , K =0. 03250. 035pF , C 12=0. 012pF , R =736. 8819. 0nH, M 12=7. 283nH, K =0. 38330. 0716pF , C 12=0. 012pF , R =36289. 3838nH, M 12=0. 965nH, K =0. 1028

C 1=L 1=C 1=

PCB(7)

L 1=C 1=

PCB(8)

L 1=C 1=

PCB(9)

L 1=

关于整块导体地线面对抑制EM I 的作用已经做过介绍, 在此只预测分析2种条件下屏蔽线的作用。按照前面介绍的方法分别对4种结构的串音进行预测, 其结果分别如图5和图6所示。图5、图6中分析均为图4中导体1和导体2之间的串音, 导体3为屏蔽地线。图5表示PCB(6) 和PCB(7) 导体2的近端和远端串音, 图6表示PCB(8) 和PCB(9) 导体2的近端和远端串音。

根据图5和图6可以发现:使用整块导体地线面时所有迹线的串音都比没有使用地线面时相应的串音低许多。图中可以看出串音响应均低20dB 左右。这与我们以前的分析是吻合的。因此首先我们可以肯定一条原则, 整块导体地线面地使用有助于电磁干扰的抑制。PCB 设计时一定要想方设法增大地线面的面积,

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合或辐射面积。

(3) 多层PCB 的使用能够降低EM I 辐射, 易于实现电磁兼容性设计, 但这必须是在使用正确合理的前提下。预测表明多层PCB 使用不当会增加EMI 辐射水平, 这在图3中可以看出。

(4) 对于PCB 的电磁兼容性设计, 地线的正确使用是一项非常重要而且极为关键的技术。尤其整块导体地线面的使用能有效地抑制EM I 噪声。同时对于部分重要的印制迹线, 可通过使用屏蔽地线的方法来减小其对外界的耦合, 从而达到电磁兼容性的目的。

参　考　文　献

1　Lar oussi R. Finite -Element M ethod Applied to

EMC Problem. IEEE T rans on EMC, vol 35,

May 1993, 178～183

2　M aio I , Canavero F G . Analy sis of Cr osstalk and

Abstract :A pplying the finite element metho d and SPICE simulating co de to the pr inted cir cuit bo ard (PCB) co upling micr ostr ip lines, predict its cr osstalks and use the r esults to analy zing t he electro magnetic inter fer ence (EM I ) lev els of the P CB w ith differ ent thick . A lso ev aluate the effects that seg reg ate the hig h -t hr eat tr aces fro m sensitive tr aces by guar d tr aces . T her efor e , find so me facts that influence the EM I lev el o f PCB a nd gener alize t he g uidelines o f electr omag netic compatibility (EM C ) adequate desig n .

Keywords :P CB; cr osstalk; EM I; EM C pr edict ion; guar d tr ace

作者简介　莫付江　男, 工程师, 硕士生, 从事电力系统继电

保护及电力系统电磁兼容性方面研究。

Field Co upling to Lossy MT L's in a SPICE Enviro nm ent . IEEE T rans on EM C , vol 38, Aug. 1996, 221～229

3　Hollo w ay C L. Net and Partial Inductance of a

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Pspice 程序应用. 北京:清华大学出版社, 19997　莫付江. PCB 微带线场模的分析及其等效模型获

取的方法论证. 天中学刊, 2002(2)

英特尔、IBM 等公司计划建立全国性的Wi -Fi 网络

　　计算机世界网消息据本周二的《纽约时报》报道, 数家主要高科技公司已开始进行一项在美国全国范围内实施的无线数据网络系统的计划。在计算机和电信业方面领先的公司目前正在就全美范围内建立一个无线数据网络, 使手持机和笔记本电脑用户能够在全国各地高速访问互联网这一计划进行磋商。

《纽约时报》援引几名知情人士的话报道称, 英特尔、IBM 、AT&T无线公司以及包括Verizon 通信和Cingular 在内的其他无线、互联网服务提供商正在研究创建一家公司, 展开一项基于802. 11b 标准的无线网络的计划。这一代号称为

“彩虹工程”的计划已经进行了8个月的时间, 它计划建立一个全国性的无线数据网络, 向互联网用户提供在诸如机场等公共场所访问互联网的服务。

英特尔和IBM 公司的官员对这一计划没有发表评论, 但据参与该计划的一名业界官员表示, 这些企业将在未来几个月内决定是否能够找到可供使用的商业模式。

作为一种无线网络连接方式, 802. 11b(或Wi -Fi) 正在迅速地普及。它最广泛地被应用于办公室中, 它可以取代传统的以太网。

(计算机世界网Donna 编译)