1、1第5章 系統可靠性設計n概念n干擾來源n干擾傳播路徑n接地n屏蔽n濾波n電纜n終端本章概要5.1 概念 電磁兼容性和信號完整性 n電磁兼容性（ElectroMagneric Compatibility，EMC）n產品既不對其它系統施放無用的電磁能（不產生干擾），同時也不受來自外部電磁環境的干擾（不受干擾影響）n抗擾度（Immunity）：產品不受干擾影響的能力n耐受性（Susceptibility）： 對噪聲的感知能力n信號完整性（Signal Integrity）n信號在信號線上的質量n當在需要的時候，具有所必需達到的電壓電平數值，則信號具有良好的完整性n常見的信號完整性問題有反射、振蕩、

2、地彈、串擾等n定義：除了有用信號之外的不期望的擾動n作用：輕則對電路正常工作產生干擾（電磁兼容性問題) ； 重則對電路產生潛在損傷（可靠性問題）5.1 概念 干擾的作用 5.1 概念 干擾的分類 n電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）n傳導干擾：通過導電介質把一個電網絡上的信號（不期望地）耦合到另一個電網絡n輻射干擾：干擾源通過空間把其信號（不期望地）耦合到另一個電網絡n 強調無用信號為“噪聲”，強調有害作用為“干擾”n 隨機漲落為“噪聲”，突發脈沖為“干擾”n 來自內部為“噪聲”，來自外部為“干擾”干擾噪聲5.1 概念 干擾與噪聲 5.1 概念 干擾對

3、數字電路的影響 模擬電路（干擾造成信號失真）數字電路（干擾造成誤觸發）5.1 概念 干擾引起位錯誤 5.1 概念 實例:干擾對J-K觸發器的影響 J-K觸發器n干擾三要素干擾三要素n干擾入侵途徑干擾入侵途徑輸入線電源線輸出線接地系統空中輻射不明343225432數據來源：日本電氣學會技術報告5.1 概念 干擾三要素 干擾源干擾傳播路徑被干擾對象市電、音頻、無線電臺、電視、移動電話、雷電、電磁輻射、火花放電等5.2 干擾來源 來自外部的干擾 數字電路、高頻與射頻器件、感性元件（繼電器、開關電源等）、微處理器時鐘等，本振及其諧波5.2 干擾來源 來自內部的干擾 5.2 干擾來源 實例:開關電源形成

4、的干擾 5.2 干擾來源 電路寄生參數 理想電路實際電路寄生電阻寄生電容寄生電感5.2 干擾來源 電場與磁場 n 電壓加在導體上產生磁場，電流流過導體產生磁場n 近場條件下，電場與磁場各自獨立作用；遠場條件下，電場與磁場共同相互作用5.2 干擾來源 導體長度與信號頻率 導體越長，信號頻率越高，則輻射作用越強5.3 干擾傳播路徑 電子設備內的干擾傳播 5.3 干擾傳播路徑 空間傳播 xHEZxHxE1,1,123xHEZxHxE,1,132降低空間輻射的途徑：增距，隔離，屏蔽5.3 干擾傳播路徑 公共阻抗耦合 有公共阻抗無公共阻抗實例：螺絲釘緊固不充分，導致公共阻抗降低公共阻抗耦合的途徑：單點接

5、地，低阻接地5.3 干擾傳播路徑 導線傳播 降低導線傳播干擾的途徑：插入濾波器，采用差動輸入消除共模噪聲電感耦合：磁場耦合，對低阻抗電路影響大電容耦合：電場耦合，對高阻抗電路影響大5.3 干擾傳播路徑 電容與電感耦合 5.3 干擾傳播路徑 互電容及互電感與與距離的關系 n什么是串擾？什么是串擾？n平行線之間通過互感和耦合電容產生的感應信號n容性耦合引發耦合電流，感性耦合引發耦合電壓n大小與線間距離的平方成反比，與信號頻率成正比5.3 干擾傳播路徑 串擾n一點接地：一點接地：可避免地線公共阻抗引起的干擾，但接地線往往較長，易引發高頻串擾5.4 接地 單點接地與多點接地n多點接地多點接地：可減少地

6、線電感引起的高頻串擾，但地線阻抗干擾較大nf1MHz（或L10MHz （或L0.15) ： 高頻多點接地nf110MHz （或L=0.050.15) ： 短線多點接地，長線一點接地5.4 接地 接地方式如何選擇 數字電路多點接地，模擬電路單點接地，整個設備單點接地5.4 接地 混合應用 5.4 接地 數字部分與機電部分隔離采用獨立的接地點（較好）采用獨立的電源（最好）不同設備接地電位的不同導致干擾電流采用光電耦合器切斷干擾電流5.4 接地 不同設備地線的隔離5.4 接地 小信號地線與大功率地線的隔離5.4 接地 零線與地線的分離 零線是交流供電的零電位參考點，對地電位不一定為0地線接大地，對地

7、電位應恒為0不能將零線當地線用5.4 接地 設備接地實例PCB整機5.5 屏蔽 屏蔽的分類靜電屏蔽 磁屏蔽5.5 屏蔽 常用屏蔽材料5.5 屏蔽 縫隙對屏蔽效果的影響 不同接地鈑金件之間最好采用面接觸搭接或者無間隙設計即使縫隙很窄，只要縫隙足夠長，也能產生可觀的泄漏5.5 屏蔽 實例1:電纜屏蔽的效果干擾源為交流50Hz感應噪聲5.5 屏蔽 實例2:機箱屏蔽的效果輻射電磁場測量結果（f=533MHz, =0.54m）發射電磁場測量結果（f=533MHz, =0.54m）5.5 屏蔽 機箱間的連接方式n旁路電容與去耦電容成對使用n旁路電容（提供儲能及濾除低頻干擾）n鉭電解電容優于鋁電解電容，前者

8、價格昂貴，后者分布電感大n電容量10470uF，取決于PCB板的瞬態電流需求。若有多個IC、高速開關電路、具有長引線的電源，則應取大電容n去耦電容（濾除高頻干擾）n電容量(1/1001/1000）旁路電容，工作頻率越高，旁路電容越小n兩個去耦電容并聯效果更好，它們的容量應相差2個數量級n不同的電源采用各自的旁路電容和去耦電容，以防止電源間的噪聲耦合 5.6 濾波 電源濾波設計旁路電容去耦電容5.6 濾波 濾波電容大小的確定5.6 濾波 差模濾波與共模濾波差模濾波：相當于低通濾波器共模濾波：對差模干擾不起作用交流線路濾波：對差模干擾和共模干擾均有效5.6 濾波 多級放大器的去耦5.6 濾波 LC

9、濾波與RC濾波nLC濾波n無功耗n需要電感，對IC內部不可用n濾除低頻噪聲效果較差n常用于數字電路nRC濾波n無需電感n濾出低頻噪聲效果較好n有電阻引入的附加功耗n常用于模擬電路5.6 濾波 抑制寬頻干擾5.6 濾波 降低時鐘干擾的擴譜時鐘技術5.7 電纜 雙絞線抑制干擾的原理雙絞線發射干擾：在被干擾線中所感應出的噪聲電流，在各節之間是反向的，故相互抵消信號線信號回饋線信號回饋線信號線雙絞線接收干擾：噪聲電流產生的磁力線在相鄰的各節間反相相反，故也相互抵消5.7 電纜 各種電纜的特點平行雙線：串擾大，僅用于短距離強信號傳輸雙絞線：可抑制串擾，成本低，抵抗低頻磁場噪聲能力強，高頻損耗較大同軸電纜

10、：能抑制電場和磁場干擾，高頻損耗小，適合傳送高速信號帶屏蔽的平行雙線：優于平行雙線帶屏蔽的雙絞線：優于雙絞線雙重屏蔽的同軸電纜：抗干擾性和高速傳輸特性良好，成本高5.7 電纜 通信電纜的選用5.7 電纜 電纜接頭的處理5.8 終端 反射的產生過程n反射產生的原因反射產生的原因n線的傳輸延遲時間Tpd信號脈沖轉換時間Ts（長線，高頻）n常用數字電路的Ts=318ns，對應的長線25cmn反射造成的后果反射造成的后果n信號波形產生畸變n出現上沖、下沖、臺階、缺口等復雜波形n抑制反射的方法抑制反射的方法n盡量縮短布線長度n盡量選用低速芯片n實現傳輸線阻抗匹配（終端技術）5.8 終端 反射形成的干擾5.8 終端 無源匹配:電阻并聯匹配:負載阻抗匹配，引入附加功耗串聯匹配:源阻抗匹配，影響噪聲容限和速度串并聯匹配:負載與源阻抗同時匹配，上述問題兼而有之5.8 終端 無源匹配:阻容、二極管阻容匹配:無靜態功耗，對速度有一定影響Thevenin匹配:用于減少并聯匹配的功耗二極管匹配:適合多種特性阻抗 差動輸出/輸入驅動器差動輸出/輸入驅動器匹配電阻施密特觸發器RC濾波器5.8 終端 有源匹配5.9 差分 差