PCB上电磁干扰分析及干扰抑制技术

摘要

随着集成电路制造工艺突飞猛进的发展,越来越多的高开关速度、高管脚密度器件被应用于数字系统当中,而与此同时,系统的供电电压呈现明显的下降趋势。具体体现到高速PCB板级设计上,则为信号完整性(Signal Integrity,简称SI)、电源完整性(Power Integrity,简称PI)和电磁兼容性(ElectroMagnetic Compatibility,简称EMC)问题的影响已经达到了不可忽略的地步,经常会出现逻辑功能正确的数字系统不能在物理结构上实现。因此,如何在系统设计以及板级设计中考虑SI/PI/EMC问题,并采用有效的控制措施和设计规则使达到“设计即正确”的理想状态,成为当今系统设计工程师和PCB设计业界中的一个热门课题。
　　 本文以印刷电路板上的电磁辐射为研究对象,首先对电磁干扰的基本概念、电磁兼容的基本理论、电磁兼容标准规范、实现电磁兼容的措施手段等进行介绍；然后详细分析了高速印刷电路板设计中的信号完整性问题,包括反射、串扰、同步开关噪声等以及传输线理论；接下来基于对谐振腔模型的分析研究,得出一个计算矩形电源总线结构中电磁辐射场强度的表达式,并利用Matlab进行计算、仿真和分析,得到了和预期比较接近的结果,证实了预先假设的正确性；最后分析说明为了减小印刷电路板上的电磁干扰,所采取的措施。
　　 本文所完成的工作有以下几个方面:
　　 1.对印刷电路板上的电磁兼容原理进行详细地介绍,对引起信号完整性问题的反射、串扰、同步开关噪声进行了较深入的理论分析；
　　 2.基于对谐振腔模型的分析研究,得出一个计算矩形电源总线结构中电磁辐射场强度的表达式,辐射场的强度可以由电源总线结构边缘的等效磁流和修正的传播常数计算出来,根据得出的表达式,分析不同情况下PCB上的电磁辐射,并进行仿真；
　　 3.介绍了几种EMI的抑制技术,对光子带隙结构和电磁带隙结构进行分析,对电磁带隙结构的原理,特别是二维电磁带隙材料中的电磁波理论进行了详细的介绍。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及国内外研究现状

1.2 主要研究内容及方案

1.3 论文结构安排

第二章 PCB上电磁干扰的分析

2.1 电磁干扰的基本概念

2.1.1 电磁干扰源

2.1.2 耦合途径

2.1.3 敏感设备

2.1.4 PCB上电磁干扰的三要素

2.2 电磁兼容的基本理论

2.2.1 电磁兼容控制技术

2.2.2 电磁兼容性的标准与规范

2.2.3 电磁兼容性工程预测分析

2.3 高速电路设计的理论基础

2.3.1 信号完整性的基本理论

2.3.2 电源完整性的基本理论

2.3.3 传输线的基本原理

2.4 本章小结

第三章 PCB上电磁辐射的预测分析

3.1 谐振腔模型

3.2 组装印刷电路板中涂覆磁性材料的电源板上的辐射

3.2.1 涂有一薄层磁性材料的铜板的表面阻抗

3.2.2 平行板腔模型的品质因数

3.2.3 修正的传播常数

3.3 仿真结果及讨论

3.3.1 基底厚度对自阻抗和转移阻抗的影响

3.3.2 磁性材料涂覆层对印刷电路板的自阻抗和转移阻抗的影响

3.3.3 组装印刷电路板中涂覆磁性材料的电源板的电磁辐射强度的问题

3.4 本章小结

第四章 减小PCB上电磁干扰的方法

4.1 引言

4.2 电磁带隙结构原理及其分析

4.2.1 电磁带隙结构产生的背景

4.2.2 电磁带隙结构原理

4.2.3 二维电磁带隙材料中的电磁波理论

4.3 典型EBG结构及其对PCB上电磁辐射干扰的抑制分析

4.3.1 EBG结构的制作

4.3.2 EBG结构对PCB上电磁干扰的抑制分析

4.4 本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

附录