5 基于电磁兼容的高速无线节点PCB设计与仿真

第 35 卷 第 3 期 2012 年 6 月 电 子 器 件 Chinese Journal of Electron Devices Vol． 35 No． 3 Jun． 2012 收稿日期:2012－02－25 修改日期:2012－03－15 Design and Simulation of EMC for High Speed Wireless Nodes PCB WU Chao，WU Mingzan* ，LI Zhu (School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China) Abstract:Because of the high-speed circuit existed in the design of wireless node PCB(Printed Circuit Board) ，the EMC problems is inevitiable． Through the simulation of signal line with automatic wiring，reflections and crosstalk has a great impact on signals． After manually adjusting parameters according to the principle of EMC(Electro mag- netic compatibility) ，reflections and crosstalk have effectively inhibited． Thus manually adjusting PCB wiring ac- cording to the principle of EMC is superior to automatically generating PCB wiring design． Key words:EMC;high speed PCB(Printed Circuit Board) ;wireless nodes;wiring simulation EEACC:1130 doi:10． 3969 / j． issn． 1005－9490． 2012． 03． 011 基于电磁兼容的高速无线节点 PCB 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与仿真 吴 超，吴明赞* ，李 竹 (南京理工大学自动化学院，南京 210094) 摘 要:在无线节点 PCB的设计过程中，由于存在高速 电路 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 ，所以不可避免的会出现电磁兼容问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。对自动布线后的信号线 进行仿真发现反射和串扰对信号的影响较大。根据电磁兼容布局布线原则对出现问题的信号线手动调整参数重新布线，调 整后再一次进行仿真，此时反射和串扰得到了有效的抑制。由此可见，根据电磁兼容设计原则手动布线后的 PCB性能优于自 动生成的 PCB布线设计。 关键词:电磁兼容性;高速 PCB;无线节点;布线仿真 中图分类号:TN941 文献标识码:A 文章编号:1005－9490(2012)03－0291－05 电子产品越来越趋向高速、宽带、高灵敏、高密 集度和小型化，这种趋势导致了电磁兼容问题更加 严重。高速数字电路 PCB 是一个典型的代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf ，PCB 的电磁兼容(EMC)问题［1］是目前高速 PCB 设计中 急待解决的技术难题。要使电子电路获得最佳性 能，除了元器件的选择和电路设计之外，良好的 PCB布局布线在电磁兼容性中也是非常重要的因 素。本文针对基于 DSP 的无线节点 PCB 考虑电磁 兼容性进行分析，分别对自动布线和根据电磁兼容 设计原则手动布线后的 PCB板进行仿真比较分析。 1 无线节点原理介绍 本文设计的无线节点主要由微处理器模块、 ZigBee模块和 GPRS模块三部分组成。其原理框图 如图 1 所示。 微处理器模块选择 TI公司型号为 TMS320F2812 的 DSP 芯片，ZigBee模块选用 CC2430，GPRS 模块选 择 MC55。其中 CC2430通信模块接受无线传感网络 节点传输来的参数数据，MC55 主要实现数据的无线 拨号 GPRS连接。DSP 主要协调控制各部分有效的 工作。 图 1 无线节点原理框图 电 子 器 件 第 35 卷 2 基于电磁兼容的 PCB设计分析 2． 1 PCB电磁兼容分析 由于 PCB板上存在大量数字器件和模拟器件， 这些器件工作时会引起电路板内电源电压的波动， 导致信号的波形产生失真，从而引起误动作。电源 在向电路系统供电时也会将噪声加到电路系统 中［2］。传输线本身存在一定的电阻，当电源发生过 压，欠压或者断电等故障时均能产生噪声干扰。 地线作为电位基准点的等电位点，同时也是信 号的低阻抗回路。它的电位并不是恒定的，地线上 最常见的干扰就是地环路干扰。由于地线的阻抗不 为零，引起地线上各点形成电位差，从而导致电路误 动作，形成地线干扰。而地线阻抗随着频率的升高 而加大，这就是造成电磁干扰的主要因素。由于地 线阻抗的存在，当大电流流过地线时，会产生很大的 电位差，这就构成了地环路干扰。 高速 PCB 设计过程中，串扰现象是非常普遍 的，常见串扰有容性耦合串扰和感性耦合串扰，影响 串扰信号幅度的因素主要有走线间的耦合长度、走 线的间距和走线的端接。 2． 2 PCB电磁兼容设计 根据印制电路板电流的大小，应尽量加粗电 源线和地线的宽度，减小环路电阻，同时使电源线 地线的走向和数据传输方向一致，有助于增强抗 噪声能力［3］。为了减小去耦电容供电回路面积 和元件分布电感的影响，尽量选用贴片元件，缩短 引脚长度。为电源引入端加上较大容量的电解电 容做低频滤波，再并联一个容量较小的瓷片电容 做高频滤波。 为了减小地环路干扰，可以采用光耦隔离器等 切断地环路电流的形成或采用平衡电路消除环路电 流。应减小公共地线部分的阻抗，加粗电线或对地 线铺铜，另一方面可采用适当的接地方式避免相互 干扰。为了消除数字器件对模拟器件的干扰，数字 地和模拟地应该分开 容性耦合和感性耦合产生的串扰随着受干扰线 路负载阻抗的增加而增加，所以减小负载可以减小 耦合干扰的影响。在布线条件允许的情况下，尽量 减小相邻传输线间的平行长度或增大可能发生容性 耦合导线之间的距离，如采用 3W 原则。相邻俩信 号层走线应垂直尽量避免平行走线减小层间的串 扰。通过端接，使传输线终端阻抗和传输线匹配，可 以大大减小串扰和反射干扰。 2． 3 PCB布局布线原则 综合上述电磁兼容分析设计以及高速 PCB 的 特点，提出以下布局布线原则: (1)尽量缩短高频元器件之间的连线，减小它 们的分布参数和相互之间的电磁干扰; (2)按照电路的 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 安排各功能单元的位置， 使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的 方向; (3)以每个功能模块的核心元件为中心，围绕 它进行布局，尽量减小和缩短各元器件之间的引线 和连接长度; (4)综合考虑各元件之间的分布参数，尽可能 使元器件平行排列，这样有利于增强抗干扰能力; (5)对最敏感的和最容易产生影响的信号网络 首先进行布线; (6)使最可能发生发射或最敏感的信号网络走 线尽量短; (7)将最可能发生发射或敏感的信号网络布在 最靠近地平面的位置; (8)将数据总线和其他传输线相邻走线，并且 将它们保持一定的距离，使串扰最小化; (9)不要将任何走线布在它们的参考平面的分 割处; (10)多层板中，电源层和地层要放置在相邻的 层中［4］。 3 仿真分析 3． 1 无线节点 PCB自动布线的仿真分析 对布局后的无线节点 PCB 进行自动布线，得到 相应的 PCB图，将其导入到 Hyperlynx 仿真软件中， 得到如图 2 所示的仿真文件。由于自动布线中未考 虑电磁兼容性有关的布线原则，所以必然会出现电 磁兼容性问题。这里以地址线信号 XA［12］为例说 明其由于未考虑电磁兼容性而产生的反射和串扰 问题。 将自动布线生成的 PCB板进行 Boardsim仿真， 首先设置层叠，然后选取受串扰影响的信号线 XA ［12］，分别对受攻击信号线和攻击信号线添加 IBIS 模型引脚，最后进行仿真得到图 3 所示的反射仿真 图和图 4 所示的串扰仿真图。 由表 1 可知，自动布线后信号线上的信号出现 了较严重的反射和串扰问题，此时必须进行手动布 线，按照电磁兼容布线原则，调整导致反射和串扰发 生的有关参数，从而减小反射和串扰影响，增强 PCB板的电磁兼容性。 292 第 3 期 吴 超，吴明赞等:基于电磁兼容的高速无线节点 PCB设计与仿真 图 2 自动布线生成的 PCB仿真文件 图 3 自动布线反射仿真 图 4 自动布线串扰仿真 表 1 自动布线仿真数据 仿真方式 反射幅值 过冲幅值 下冲幅值 串扰幅值 自动布线后仿真 5． 25 V 1． 26 V 400 mV 3． 2 无线节点 PCB手动布线的仿真分析 为了减小因电磁兼容引起的反射和串扰对 PCB板上信号的影响，首先利用 Linesim 对反射和 串扰问题进行前仿真，根据电磁兼容 PCB 布局布线 原则手动调整各项参数直到满足系统要求，最后利 用 Boardsim 对调整后的信号线进行后仿真。 LineSim的仿真模型如图 5 和图 6 所示，仿真结果分 别如图 7、图 8 和图 9 所示。 图 5 Linesim反射仿真模型图 图 6 LineSim串扰仿真模型图 图 7 手动布线反射前仿真 图 8 未调整参数串扰仿真 392 电 子 器 件 第 35 卷 图 9 调整参数后串扰仿真 由表 2 可知，经过手动添加匹配电阻后，反射幅 值大幅度减小，对信号的影响控制在了允许的范围 内。由表 3 可以看出，手动调整耦合长度、线宽、线 间距等重新布线后，可以将串扰限制在一定的范围 内［6］。自动布线后导入 Hyperlynx 仿真软件中得到 图 10 所示仿真文件图。 表 2 LineSim反射仿真数据 端接阻值 接收端 过冲幅值 下冲幅值 源端 过冲幅值 下冲幅值 75 3． 42 V 143 mV 3． 56 V 222 mV 表 3 LineSim串扰仿真数据 串扰模型 耦合长度 线宽 线间距 与参考层间距 串扰幅值 基本模型 3 inch 8 mil 5 mil 10 mil 640 mV 改进后模型 1 inch 6 mil 10 mil 5 mil 112 mV 图 10 手动布线后仿真文件 根据表 2 和表 3 的参数进行布线后仿真，得到 图 11 和 12 所示的仿真结果。 图 11 调整后 Boardsim反射仿真 图 12 调整参数后 Boardsim串扰仿真 3． 3 两种布线方式比较分析 由前面进行的仿真分析可知自动布线后，信号 的反射问题和串扰问题比较严重，经过手动调整参 数，添加匹配电阻等措施，可以将反射和串扰对信号 的影响限制在合理的范围内。 具体的仿真分析结果比较如表 4 所示。 表 4 自动布线和手动布线仿真数据比较 性能参数 自动布线后仿真结果 上冲幅值 下冲幅值 手动布线后仿真结果 上冲幅值 下冲幅值 反射 5． 25 V 1． 26 V 3． 51 V 222 mV 串扰 400 mV 68 mV 最后，对 PCB 板上的信号进行依次分析仿真， 对出现电磁兼容问题的信号进行手动调整参数，直 到满足系统要求。 4 结束语 本文对基于 DSP 的无线节点进行了电磁兼容 性仿真和分析。首先利用自动布线功能对 PCB 板 进行布线，经过仿真分析发现电磁兼容问题比较严 重，出现了反射和串扰现象。对此，根据电磁兼容设 计的原则，对 PCB 板进行合理的布局，手动调整布 线。手动调整参数后进行仿真得出反射和串扰得到 了有效的抑制。 参考文献: ［1］ 江思敏，唐广芝． PCB和电磁兼容设计［M］． 2 版．北京:机械工 业出版社，2008． ［2］ 张燕燕．高速 DSP 的电磁兼容设计研究［J］． 现代电子技术， 2008，(18) :174－177． ［3］ 岳春华，伊征琦． 高速 PCB 电磁电容的研究［J］． 电子质量， 2007，(8) :92－94． ［4］ 聂琼，钱敏，丁杰． PCB 的电磁兼容设计［J］． 印制电路信息， 2010，(12) :9－12． 492 第 3 期 吴 超，吴明赞等:基于电磁兼容的高速无线节点 PCB设计与仿真 ［5］ 许运飞，吴明赞，李竹．基于 HyperLynx的断路器状态监测无线 节点 PCB设计［J］．电子器件，2011，34(5) :529－531． ［6］ 许运飞，吴明赞，李竹．基于 HyperLynx的断路器状态监测无线节 点 PCB板信号完整性分析［J］．电子器件，2011，34(6):727－730． 吴 超(1988－) ，男，电路与系统专业 硕士研究生，研究方向为无线传感器 网络节点设计。 592