东南大学硕士学位论文高速PCB板的电磁兼容性设计及仿真分析姓名：李富同申请学位级别：硕士专业：电力电子指导教师：余海涛;秦伟芳20070410东南大学硕士学位论文环境的污染和无线电频谱资源的影响，世界各国制定了相关的电磁兼容标准、法律法规来限制产品的电磁辐射问题，不符合标准要求的产品不允许在市场中销售，即电磁兼容认证，这也逐渐成了限制别国产品进入本国市场的技术贸易壁垒。
欧盟于１９８９年５月３日颁布了电磁兼容性指令（８９／３３６／ＥＥｃ）。
指令严格规定，凡不符合指令要求的产品，一律禁止进入欧盟市场或投入使用。
１９９１年４月、１９９２年４月和１９９３年７月，欧盟又先后三次对该指令进行修改。
最近，欧盟在８９／３３６／ＥＥＣ及其修改件的基础上对电磁兼容技术法规内容再一次作了较大幅度的修改和调整，并于２００４年１２月３１日重新颁布了新的电磁兼容性指令（２００４／１０８／Ｆ＿贮），该指令将逐步取代８９／３３６／ＥＥＣ。
指令所有电子产品必须通过电磁发射测试和电磁抗扰度测试并按要求加贴ＣＥ标志才可以欧盟市场中销售，没有ＣＥ标志的，不得上市销售，已加贴ＣＥ标志进入市场的产品，发现不符合安全要求的，要责令从市场收回，持续违反指令有关ＣＥ标志规定的，将被限制或禁止进入欧盟市场或被迫退出市场。
欧盟电磁兼容标准的执行及过渡时间如下表所示：图１－３欧洲电磁兼容标准执行情况西方一些发达的国家如美国、加拿大、日本等国也提出实施ＥＭＣ指令的要求，并且实施这一指令的要求也正在向世界各国延伸，将成为世界各国的共同要求。
所以不通过电磁兼容性能试验的设备、产品是无法进入国际市场，它是电子设备进入国际市场的通行证。
我国也于２００３年开始实施强制性的产品认证，在认证规定之内的产品必须在指定测试机构通过相应电磁兼容和安全标准的测试并在产品上贴加“ＣＣＣ”标识，方可在市场中销售。
东南大学硕士学位论文且近年来全球电磁兼容认证的要求也不断变化，世界各国都逐渐采用ＩＥＣ及ＣＩＳＰＲ出版制定的ＥＭＣ的标准来要求市场上的电子产品，如下表所示１２】：电磁兼容要求的扩大１９９２１９９３１９９４１９９５１９９６１９９７１９９８１９９９２０００２００１２００２２００３．２００６ＦＣＣＦＣＣＦＣＣＦＣＣＦＣＣＦＣＣ∞ＣＦＣＣＤＯＣＦＣＣＤＯＣＦＣＣＤＯＣＦＣＣＤＯＣＦＣＣＤｏＣＦＣＣＤｏＣＴＷＴｕｖＴＷＴＵｖＴＷＴＷＴＷＴＷＴＷＴＵＶＴＷＴＷＮＥＭＫＯＮＥＭＫＯＮＥＭＫＯＮＥＭＫＯＮＥＭＫＯＮＥＭＫＯＮＥＭＫＯＮＥＭＫＯＮＥＭＫＯＮＥＭＫＯＮＥＭＫＯＮＥＭＫｏＶＤＥＶＤＥＶＤＥｆＣＥＣＥＣＥＣＥＣＥＣＥＣＥＣＥＣ￡ＣＥＭＰＲ¨．ＭＰＲ¨。
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如下图所示１２］：图１．５全球认证标识东南大学硕士学位论文１．４本课题的意义１．４．１电磁兼容设计在产品研发流程中的重要性如前所述，在现代高速数字电路设计中，ＥＭＣ是一个重要的设计要求，由于ＥｌｄＣ与电路设计、ＰＣ８布线密切相关，故应在产品设计前期就认真考虑ＥＭｃ的要求，并应尽可能早的发现问题的根源以避免产品定型后返工带来成本的快速上升和时间的延误。
国外有一句话非常形象的描述了电磁兼容性问题，“ＴｈｅｒｅｉｓＮｅｖｅｒＴｉｍｅｔｏｄｏｉｔＲｉｇｈｆＪｂｕｔＴｈｅｒｅ括ＡｌｗａｙｓＴｉｍｅｔｏｉｔＯｖｅｒ”．当项目完成产品设计后，进行电磁兼容测试，准备将产品推向市场，却发现无论用什么办法总是通不过测试，离最后限期越来越近，总没有时间来解决它，要不断推迟计划，花时间来解决电磁兼容问题。
电磁兼容性问题是－－１＂７实践性很强的技术，阅读大量的理论知识并不能解决问题，也并不能简单的将电磁兼容理解为接地、屏蔽、滤波。
电磁兼容问题是电路设计之外的因素所产生的，与电路功能，性能无关，因此电路设计工程师很少去关注，在发生问题时大多数情况下也无从下手，在国外也将电磁兼容问题看成是一个黑盒子，很神秘，解决ＥＭＣ问题是一个魔术。
随着科技不断的发展，电路工作频率越来越高，时钟的上升下降沿越来越陡峭，导致ＥＭｃ的问题也越来越复杂，如ＣＰＩＪ的工作时钟目前已发展至４Ｃ，Ｈｚ以上且集成度越发提高．由此所带来的ＥＭｃ设计挑战加大。
在消费品电子市场特别是ＩＴ产业，激烈竞争使得成本压力上升，甚至要仔细审查制造物料和人工每一分钱成本，在如此的情况之下，根本没有余地去考虑在产品研发后期所产生的ＥＭｃ的问题。
所以在产品研发流程后期产生ＥＭｃ的问题是不能容忍的．每台计算机用于ＥＭＣ研发及测试费用的变化嘲１９９５１９９６１９９７２００１Ｉ￥３５００￥４８００￥７５００￥１８，５００图１－６“频率上升趋势和脚Ｃ研发测试费用变化下图表明在产品研发流程中解决电磁兼容问题费用／措施与时间变化的关系。
１：图２－１最终验证测试的配置图２－２标准ｌＯ法半电波暗室（上海市计量测试研究院）图２－３电磁辐射测试系统（上海市计量测试研究院）东南大学硕士学位论文２．２工程对比测试如前所述，最终取证测试是用于考虑产品是否符合电磁兼容标准及法律法规要求的手段，而当产品设计有问题，无法通过最终取证测试时，就需要用到工程对比测试进行调试、解决问题并可验证措施的有效性。
与最终取证测试不同，工程对比测试所关注的不是所测量电磁干扰的绝对准确性，而是电磁干扰信号的变化量。
即在一定的场所（可以是实验室，开阔场等任何场所，不必过分担心背景噪声），使电磁发射超标的被测试设备正常工作，在适当的距离用宽带接收天线与频谱分析仪（或ＥＭＩ接收机）接收ＥＵＴ所发出的电磁干扰场强值，记录下作为基准，然后对被测设备进行整改，加上相应措施，再次在相同的条件下进行测试其电磁辐射值，与之前基准作比较，就可以判断措施是否有效。
测试配置如下图所示：Ｅ４４４５Ａ频谱分析仪（３１ｔｚ．－１３．５Ｇｌｌｚ）＼厂厂］ｌ被试设备ｌｌｌ１．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．＿Ｊ图２－４工程对比测试设置工程对比测试是在电磁兼容调试解决问题时最为常用的方法，因为它简单易行，要求简单，不需要昂贵的电波暗室及相应的测试系统，也不需要担心背景噪声的影响，只需要天线和频谱仪（或高频示波器），就可以找到解决ＥＭＣ辐射问题的办法。
在本课题中工程对比测试所用到的测试仪器为：安捷伦科技公司的ＰＳＡＥ４４４５Ａ（３Ｉ－Ｉｚ－１３．５ＧＨｚ）高性能示波器ＥＭＣ０３１４０对数周期天线图２－５工程对比测试图一系统时钟频率超过５０ＭＨｚ一采用了上升，下降时间少于５ｎｓ的器件一数字／模拟混合电路３．３信号边沿速率对电磁辐射场强的影响数字信号中过冲，高频振荡和快速的上升／下降沿（信号完整性）使得时钟信号中包含着丰富的高频谐波分量，快速的切换时间将导致回流、串扰、振铃和反射的问题，对电磁辐射有着重要的影响。
案例分析ｌ：（１）如在一ＰＣＢ电路板（第一版ＬＰｌ）的布线条件下，图３－３ＰＣＡＬＰｌ板其中白线为一时钟信号线，为一电磁辐射源，此信号线为３．３Ｖ的时钟信号，由ＦＰＧＡ经７４ＡＣＴ转为５ｖ后至Ａ／Ｄ转换器ＡＤＳｌ２５１，提供时钟转换频率，为６．２５ＭＨｚ，经７４ＡＣＴ后，时钟信号波形为图３—４所示：其基频为６．２５ＭＨｚ，信号上升时间１．５￥ｎｓ，下降时间１．７２ｎｓ．并且此信号波形存在严重振荡和过冲且上升沿及下降沿极快。
（测试场地为：上海计量测试研究院一符合国际标准的ｌＯ法电波暗室中测试，天线垂直极化）。
测试情况参见图３－５。
其对外电磁辐射测试结果见图３．６。
图３４信号波形１图３－５测试设置图图３－６ＰＣＢＬＰＩＨＣＴ辐射测试结果为验证信号的边沿速率与对外电磁辐射的关系，在电路板上更换相应的元器件（对７４ＡＣＴ更换为７４ＨＣＴ，降低其上升及下降沿，减少振荡，器件更换后，用示波器观察到的波形为，上升沿为６．１３ｎｓ，下降沿为４．９６ｎｓ，且无明显过冲。
见图３—７所示。
图３－７信号波形２在同样测试条件下，在１０米法电波暗室中对外电磁辐射测试结果见图３－８。
图３－８ＰＣＡＬＰＩ板ＨＣＴ辐射测试结果两者测试结果对比情况如图３－９所示图３－９ＰＣＡＬＰｌ板ＡＣＴ与ＨＣＴ辐射结果对比由对比图可以看出，仅改变信号的上升下降的时间，在许多辐射频率点其对外电磁辐射强度降低近１５ｄＢ（１５０一３００姗ｚ）。
东南大学硕士学位论文案例分析２：对此电路结构进行重新布线，改变ＰｃＢ电路板的布线结构为ＬＰ２，如下图３—１０所示，与ＬＰｌ相比电路原路，器件完全相同，仅改变器件布置与地平面。
图３．１０ＰＣＡ板ＬＰ２在图中信号线中所走的信号见图３．１ｌ，上升沿１．８１４５ｎｓ，下降沿为１．８８８８ｎｓ。
图３一１１信号波形３图３．１２信号波形４将ＰＣＢ板放在１０法电波暗室中进行测试，对外辐射测试结果为见图３．１３，将高速器件７４ＡＣＴ换成７４ＨＣＴ，信号的上升沿与下降沿时间降低为６．１３ｎｓ和４．９６３ｎｓ．，对外电磁测试结果见图３·１４。
两者对比分析参见图３一１５。
东南大学硕士学位论文图３—１３ＰＣＡＬＰ２板ＡＣＴ辐射测试结果图３－１４ＰＣＡＬＰ２ＨＣＴ辐射测试结果图３—１５ＰＣＡＬＰ２板ＡＣＴ与ＨＣＴ辐射结果对比东南大学硕士学位论文图４－６信号层间跳变与地孔虽然产生共模电流的原因多种多样，并且很难预测，但是所有的共模电流都来自有意义的信号电流，这一点是１００％正确的。
这就是说，在Ｐｃ机的线路板上的某处，有用的信号常常在无意中产生了麻烦的共模电流。