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。
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。
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。
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。
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。
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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