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線路板(PCB)級的電磁兼容設計

發布時間:2017-09-05 09:42:33瀏覽次數:606

 線路PCB)級的電磁兼容設計

1.引言

印制路板PCB是電子產品中電路元件和器件的支撐件它提供電路元件和器件之間的電氣連接,它是各種電子設備最基本的組成部分,它的性能直接關系到電子設備質量的好壞。隨著信息化社會的發展,各種電子產品經常在一起工作,它們之間的干擾越來越嚴重,所以,電磁兼容問題也就成為一個電子系統能否正常工作的關鍵。同樣,隨著電于技術的發展,PCB的密度越來越高PCB設計的好壞對電路的干擾及抗干擾能力影響很大。要使電子電路獲得最佳性能,除了元器件的選擇和電路設計之外,良好的PCB布線在電磁兼容性中也是一個非常重要的因素。

既然PCB是系統的固有成分,在PCB布線中增強電磁兼容性不會給產品的最終完成帶來附加費用。但是,在印制線路板設計中,產品設計師往往只注重提高密度,減小占用空間,制作簡單,或追求美觀,布局均勻,忽視了線路布局對電磁兼容性的影響,使大量的信號輻射到空間形成騷擾。一個拙劣的PCB布線能導致更多的電磁兼容問題,而不是消除這些問題。在很多例子中,就算加上濾波器和元器件也不能解決這些問題。到最后,不得不對整個板子重新布線。因此,在開始時養成良好的PCB布線習慣是最省錢的辦法。

有一點需要注意,PCB布線沒有嚴格的規定,也沒有能覆蓋所有PCB布線的專門的規則。大多數PCB布線受限于線路板的大小和覆銅板的層數。一些布線技術可以應用于一種電路,卻不能用于另外一種,這便主要依賴于布線工程師的經驗。然而還是有一些普遍的規則存在,下面將對其進行探討。

為了設計質量好、造價低的PCB應遵循以下一般原則:

                   2PCB上元器件布局

首先,要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過大時,印制線條長,阻抗增加,抗噪聲能力下降,成本也增加;過小,則散熱不好,且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后.再確定特殊元件的位置。最后,根據電路的功能單元,對電路的全部元器件進行布局。

電子設備中數字電路、模擬電路以及電源電路的元件布局和布線其特點各不相同,它們產生的干擾以及抑制干擾的方法不相同。此外高頻、低頻電路由于頻率不同其干擾以及抑制干擾的方法也不相同。所以在元件布局時,應該將數字電路、模擬電路以及電源電路分別放置將高頻電路與低頻電路分開。有條件的應使之各自隔離或單獨做成一塊電路板。此外,布局中還應特別注意強、弱信號的器件分布及信號傳輸方向途徑等問題。

在印制板布置高速、中速和低速邏輯電路時,應按照圖1-①的方式排列器件。

 

 

器件布置方面與其它邏輯電路一樣,應把相互有關的器件盡量放得靠近些,這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。元件在印刷線路板上排列的位置要充分考慮抗電磁干擾問題。原則之一是各部件之間的引線要盡量短。在布局上,要把模擬信號部分,高速數字電路部分,噪聲源部分(如繼電器,大電流開關等)這三部分合理地分開,使相互間的信號耦合為最小。如圖1所示。

發生器、晶振和CPU的時鐘輸入端都易產生噪聲,要相互靠近些。易產生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應盡量遠離邏輯電路如有可能,應另做電路板,這一點十分重要。


2.1 在確定特殊元件的位置時要遵守以下原則:

(1) 盡可能縮短高頻元器件之間的連線,設法減少它們的分布參數和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近,輸入和輸出元件應盡量遠離。

(2) 某些元器件或導線之間可能有較高的電位差,應加大它們之間的距離,以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應盡量布置在調試時手不易觸及的地方。

(3) 重量超過15g的元器件、應當用支架加以固定,然后焊接。那些又大又重、發熱量多的元器件,不宜裝在印制板上,而應裝在整機的機箱底板上,且應考慮散熱問題。熱敏元件應遠離發熱元件。

(4) 對于電位器、可調電感線圈、可變電容器、微動開關等可調元件的布局應考慮整機的結構要求。若是機內調節,應放在印制板上方便于調節的地方;若是機外調節,其位置要與調節旋鈕在機箱面板上的位置相適應。

(5) 應留出印制定位孔及固定支架所占用的位置。


2.2 根據電路的功能單元對電路的全部元器件進行布局時,要符合以下原則:

(1) 按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置,使布局便于信號流通,并使信號盡可能保持一致的方向。

(2) 以每個功能電路的核心元件為中心,圍繞它來進行布局。元器件應均勻、整齊、緊湊地排列在PCB盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。

(3) 在高頻下工作的電路,要考慮元器件之間的分布參數。一般電路應盡可能使元器件平行排列。這樣,不但美觀而且裝焊容易易于批量生產。

(4) 位于電路板邊緣的元器件,離電路板邊緣一般不小于2mm。電路板的最佳形狀為矩形。長寬比為3:24:3。電路板面尺寸大于200150mm時.應考慮電路板所受的機械強度。


2.3 PCB元器件通用布局要求:

電路元件和信號通路的布局必須最大限度地減少無用信號的相互耦合:

(1) 低電子信號通道不能靠近高電平信號通道和無濾波的電源線,包括能產生瞬態過程的電路。

(2) 將低電平的模擬電路和數字電路分開,避免模擬電路、數字電路和電源公共回線產生公共阻抗耦合。

(3) 高、中、低速邏輯電路在PCB上要用不同區域。

(4) 安排電路時要使得信號線長度最小。

(5) 保證相鄰板之間、同一板相鄰層面之間、同一層面相鄰布線之間不能有過長的平行信號線。

(6) 電磁干擾(EMI)濾波器要盡可能靠近EMI源,并放在同一塊線路板上。

(7DC/DC變換器、開關元件和整流器應盡可能靠近變壓器放置,以使其導線長度最小。

(8) 盡可能靠近整流二極管放置調壓元件和濾波電容器。

(9) 印制板按頻率和電流開關特性分區,噪聲元件與非噪聲元件要距離再遠一些。

(10) 對噪聲敏感的布線不要與大電流,高速開關線平行。


3PCB布線

3.1 印刷線路板與元器件的高頻特性:

一個PCB的構成是在垂直疊層上使用了一系列的層壓、走線和預浸處理的多層結構。在多層PCB中,設計者為了方便調試,會把信號線布在最外層。

PCB上的布線是有阻抗、電容和電感特性的。

阻抗:布線的阻抗是由銅和橫切面面積的重量決定的。例如,1盎司銅則有0.49mΩ/單位面積的阻抗。

電容:布線的電容是由絕緣體(EoEr)電流到達的范圍(A)以及走線間距(h)決定的。

用等式表達為CEoErA/hEo是自由空間的介電常數(8.854pF/m),ErPCB基體的相關介電常數(在FR4碾壓板中該值為4.7

電感:布線的電感平均分布在布線中,大約為1nH/mm

對于1盎司銅線來說,在0.25mm10mil)厚的FR4碾壓板上,位于地線層上方的0.5mm20mil)寬、20mm800mil)長的線能產生9.8mΩ的阻抗,20nH的電感以及與地之間1.66pF的耦合電容。

在高頻情況下,印刷線路板上的走線、過孔、電阻、電容、接插件的分布電感與電容等不可忽略。電容的分布電感不可忽略,電感的分布電容不可忽略。電阻會產生對高頻信號的反射和吸收。走線的分布電容也會起作用。當走線長度大于噪聲頻率相應波長的1/20時,就產生天線效應,噪聲通過走線向外發射。

印刷線路板的過孔大約引起0.5pF的電容。一個集成電路本身的封裝材料引入2~6pF電容。一個線路板上的接插件,有520nH的分布電感。一個雙列直插的24引腳集成電路插座,引入4~18nH的分布電感。

這些小的分布參數對于運行在較低頻率下的微控制器系統是可以忽略不計的;而對于高速系統必須予以特別注意。

下面便是避免PCB布線分布參數影響而應該遵循的一般要求:

(1) 增大走線的間距以減少電容耦合的串擾;

(2) 平行地布電源線和地線以使PCB電容達到最佳;

(3) 將敏感的高頻線布在遠離高噪聲電源線的地方以減少相互之間的耦合;

(4) 加寬電源線和地線以減少電源線和地線的阻抗。

3.2 分割:

分割是指用物理上的分割來減少不同類型線之間的耦合,尤其是通過電源線和地線的耦合。

 

2給出了用分割技術將4個不同類型的電路分割開的例子。在地線面,非金屬的溝用來隔離四個地線面。LC作為板子上的每一部分的過濾器,減少不同電路電源面間的耦合。高速數字電路由于其更高的瞬時功率需求而要求放在靠近電源入口處。接口電路可能會需要抗靜電放電(ESD)和暫態抑制的器件或電路來提高其電磁抗擾性,應獨立分割區域。對于LC來說,最好不同分割區域使用各自的LC,而不是用一個大的LC,因為這樣它便可以為不同的電路提供不同的濾波特性。

3.3 基準面的射頻電流抑制:

不管是對多層PCB的基準接地層還是單層PCB的地線,電流的路徑總是從負載回到電源。返回通路的阻抗越低,PCB的電磁兼容性能越好。由于流動在負載和電源之間的射頻電流的影響,長的返回通路將在彼此之間產生射頻耦合,因此返回通路應當盡可能的短,環路區域應當盡可能的小。

3.4 布線分離:

布線分離的作用是將PCB同一層內相鄰線路之間的串擾和噪聲耦合最小化。

所有的信號(時鐘,視頻,音頻,復位等等)在線與線、邊沿到邊沿間應在空間上遠離。為了進一步的減小電磁耦合,將基準地布放在關鍵信號附近或之間以隔離其他信號線上產生的或信號線相互之間產生的耦合噪聲。

3.5 電源線設計

根據印制線路板電流的大小,盡量加電源線寬度,減少環路電阻。同時、使電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一致,這樣有助于增強抗噪聲能力。

3.6 抑制反射干擾與終端匹配:

為了抑制出現在印制線終端的反射干擾,除了特殊需要之外,應盡可能縮短印制線的長度和采用慢速電路。必要時可加終端匹配終端匹配方法比較多,常見終端匹配方法見圖3所示。根據經驗,對一般速度較快的TTL電路,其印制線條長于10cm以上時就應采用終端匹配措施。匹配電阻的阻值應根據集成電路的輸出驅動電流及吸收電流的最大值來決定。時鐘信號較多采用串聯匹配,見圖4所示。

 

 

 

3.7 保護與分流線路:

在時鐘電路中,局部去耦電容對于減少沿著電源干線的噪聲傳播有著非常重要的作用。但是時鐘線同樣需要保護以免受其他電磁干擾源的干擾,否則,受擾時鐘信號將在電路的其他地方引起問題。

設置分流和保護線路是對關鍵信號(比如:對在一個充滿噪聲的環境中的系統時鐘信號)進行隔離和保護的非常有效的方法。PCB內的分流或者保護線路是沿著關鍵信號的線路兩邊布放隔離保護線。保護線路不僅隔離了由其他信號線上產生的耦合磁通,而且也將關鍵信號從與其他信號線的耦合中隔離開來。

分流線路和保護線路之間的不同之處在于分流線路不必兩端端接(與地連接),但是保護線路的兩端都必須連接到地。為了進一步的減少耦合,多層PCB中的保護線路可以每隔一段就加上到地的通路。

3.8 局部電源和IC間的去耦:

在直流電源回路中,負載的變化會引起電源噪聲。例如在數字電路中,當電路從一個狀態轉換為另一種狀態時,就會在電源線上產生一個很大的尖峰電流,形成瞬變的噪聲電壓。局部去耦能夠減少沿著電源干線的噪聲傳播。連接著電源輸入口與PCB之間的大容量旁路電容起著一個低頻騷擾濾波器的作用,同時作為一個電能貯存器以滿足突發的功率需求。此外,在每個IC的電源和地之間都應當有去耦電容,這些去耦電容應該盡可能的接近IC引腳,這將有助于濾除IC的開關噪聲。

配置去耦電容可以抑制因負載變化而產生的噪聲,是印制線路板的可靠性設計的一種常規做法,配置原則如下:

(1) 電源輸入端跨接10~100μF的電解電容器。如有可能,接100μF以上的更好。

(2) 原則上每個集成電路芯片都應布置一個0.01μF的瓷片電容,如遇印制板空隙不夠,可每4~8個芯片布置一個1~10μF電容。這種器件的高頻阻抗特別小,在500kHz20MHz范圍內阻抗小于,而且漏電流很小(0.5μA以下)。最好不用電解電容,電解電容是兩層溥膜卷起來的,這種結構在高頻時表現為電感。

(3) 對于抗噪能力弱、關斷時電源變化大的器件,如RAMROM存儲器件,應在芯片的電源線和地線之間直接接入高頻退電容。

(4) 電容引線不能太長,尤其是高頻旁路電容不能有引線。

去耦電容值的選取并不嚴格,可按C=1/f計算:即10MHz0.1μF。對微控制器構成的系統,取0.1~0.01μF之間都可以。好的高頻去耦電容可以去除高到1GHz的高頻成份。陶瓷片電容或多層陶瓷電容的高頻特性較好。

此外,還應注意以下兩點:

(1) 在印制板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時.操作它們時均會產生較大火花放電,必須采用RC吸收電路來吸收放電電流。一般R1~2kΩC2.2~4.7μF

(2) CMOS的輸入阻抗很高,且易受感應,因此在使用時對不用端要通過電阻接地或接正電源。

3.9 布線技術:

3.9.1 過孔

過孔一般被使用在多層印制線路板中。當是高速信號時,過孔產生14nH的電感和0.30.5pF的電容。因此,當鋪設高速信號通道時,過孔應該被保持絕對的最少。對于高速的并行線(如地址和數據線),如果層的改變是不可避免,應該確保每根信號線的過孔數一樣。

 

3.9.2 45度角的路徑

與過孔相似,直角的轉彎路徑應該被避免,因為它在內部的邊緣能產生集中的電場。該場能耦合較強噪聲到相鄰路徑,因此,當轉動路徑時全部的直角路徑應該采用45度。圖545度路徑的一般規則。

3.9.3 短截線

 

如圖6所示短截線會產生反射,同時也潛在增加輻射天線的可能。雖然短截線長度可能不是任何系統已知信號波長的四分之一整數,但是附帶的輻射可能在短截線上產生振蕩。因此,避免在傳送高頻率和敏感的信號路徑上使用短截線。

3.9.4 樹型信號線排列

雖然樹型排列適用于多個PCB印制線路板的地線連接,但它帶有能產生多個短截線的信號路徑。因此,應該避免用樹型排列高速和敏感的信號線。

3.9.5 輻射型信號線排列

輻射型信號排列通常有最短的路徑,以及產生從源點到接收器的最小延遲,但是這也能產生多個反射和輻射干擾,所以應該避免用輻射型排列高速和敏感信號線。

3.9.6 不變的路徑寬度

信號路徑的寬度從驅動到負載應該是常數。改變路徑寬度時路徑阻抗(電阻,電感,和電容)會產生改變,從而產生反射和造成線路阻抗不平衡。所以最好保持路徑寬度不變。

3.9.7 洞和過孔密集

經過電源和地層的過孔的密集會在接近過孔的地方產生局部化的阻抗差異。這個區域不僅成為信號活動的“熱點”,而且供電面在這點是高阻,影響射頻電流傳遞。

3.9.8 切分孔隙

與洞和過孔密集相同,電源層或地線層切分孔隙(即長洞或寬通道)會在電源層和地層范圍內產生不一致的區域,就象絕緣層一樣減少他們的效力,也局部性地增加了電源層和地層的阻抗。

3.9.9 接地金屬化填充區

所有的金屬化填充區應該被連接到地,否則,這些大的金屬區域能充當輻射天線。

3.9.10 最小化環面積

保持信號路徑和它的地返回線緊靠在一起將有助于最小化地環,因而,也避免了潛在的天線環。對于高速單端信號,有時如果信號路徑沒有沿著低阻的地層走,地線回路可能也必須沿著信號路徑流動來布置。

3.10 其它布線策略

采用平走線可以減少導線電感,但導線之間的互感和分布電容增加,如果布局允許,電源線和地線最好采用井字形網狀布線結構,具體做法是印制板的一面橫向布線,另一面縱向布線,然后在交叉孔處用金屬化孔相連。

為了抑制印制板導線之間的串擾,在設計布線時應盡量避免長距離的平走線,盡可能拉開線與線之間的距離,信號線與地線及電源線盡可能不交叉。在一些對干擾十分敏感的信號線之間設置一根接地的印制線,可以有效地抑制串擾。

3.10.1 為了避免高頻信號通過印制導線時產生的電磁輻射,在印制線路板布線時,注意以下幾點:

(1) 布線盡可能把同一輸出電流而方向相反的信號利用平行布局方式來消除磁場干擾。

(2) 盡量減少印制導線的不連續性,例如導線寬度不要突變,導線的拐角應大于90禁止環狀走線等。

(3) 時鐘信號引線最容易產生電磁輻射干擾,走線時應與地線回路相靠近。

(4) 總線驅動器應緊挨其欲驅動的總線。對于那些離開印制線路板的引線,驅動器應緊緊挨著連接器。

(5) 由于瞬變電流在印制線條上所產生的沖擊干擾主要是由印制導線的電感成分造成的,因此應盡量減小印制導線的電感量。印制導線的電感量與其長度成正比,與其寬度成反比,因而短而精的導線對抑制干擾是有利的。時鐘引線、行驅動器或總線驅動器的信號線常常載有大的瞬變電流,印制導線要盡可能短。對于分立元件電路,印制導線寬度在1.5mm左右時,即可完全滿足要求;對于集成電路,印制導線寬度可在0.21.0mm之間選擇。

(6) 發熱元件周圍或大電流通過的引線盡量避免使用大面積銅箔,否則長時間受熱時,易發生銅箔膨脹和脫落現象。必須用大面積銅箔時,最好用柵格狀這樣有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產生的揮發性氣體。

(7) 焊盤中心孔要比器件引線直徑稍大一些。焊盤太大易形成虛焊。焊盤外徑D一般不小于(d+1.2) mm,其中d為引線孔徑。對高密度的數字電路,焊盤最小直徑可取(d+1.0)mm

3.10.2 印刷線路板的布線要注意以下問題:

(1) 專用零伏線,電源線的走線寬度≥1mm

(2) 電源線和地線盡可能靠近,以便使分布線電流達到均衡;

(3) 要為模擬電路專門提供一根零伏線;

(4) 為減少線間串擾,必要時可增加印刷線條間距離

(5) 意安插一些零伏線作為線間隔離;

(6) 印刷電路的插頭也要多安排一些零伏線作為線間隔離;

(7) 特別注意電流流通中的導線環路尺寸;

(8) 如有可能在控制線(于印刷板上)的入口處加接R-C濾波器去耦,以便消除傳輸中可能出現的干擾因素。

3.11 PCB布線通用規則:

在設計印制線路板時,應注意以下幾點:

(1) 從減小輻射騷擾的角度出發,應盡量選用多層板,內層分別作電源層、地線層,用以降低供電線路阻抗,抑制公共阻抗噪聲,對信號線形成均勻的接地面,加大信號線和接地面間的分布電容,抑制其向空間輻射的能力。

(2) 電源線、地線、印制板走線對高頻信號應保持低阻抗。在頻率很高的情況下,電源線、地線、或印制板走線都會成為接收與發射騷擾的小天線。降低這種騷擾的方法除了加濾波電容外,更值得重視的是減小電源線、地線及其他印制板走線本身的高頻阻抗。因此,各種印制板走線要短而粗,線條要均勻。

(3) 電源線、地線及印制導線在印制板上的排列要恰當,盡量做到短而直,以減小信號線與回線之間所形成的環路面積。

(4) 時鐘發生器盡量靠近到用該時鐘的器件。

(5) 石英晶體振蕩器外殼要接地。

(6) 用地線將時鐘區圈起來,時鐘線盡量短。

(7) 印制板盡量使用45°折線而不用90°折線布線以減小高頻信號對外的發射與耦合。

(8) 單面板和雙面板用單點接電源和單點接地;電源線、地線盡量粗。

(9) I/O驅動電路盡量靠近印刷板邊的接插件,讓其盡快離開印刷板。

(10關鍵的線要盡量粗,并在兩邊加上保護地。高速線要短而直。

(11元件引腳盡量短,去耦電容引腳盡量短,去耦電容最好使用無引線的貼片電容。

(12A/D類器件,數字部分與模擬部分地線寧可統一也不要交叉。

(13時鐘、總線、片選信號要遠離I/O線和接插件。

(14模擬電壓輸入線、參考電壓端要盡量遠離數字電路信號線,特別是時鐘。

(15時鐘線垂直于I/O線比平行I/O線干擾小,時鐘元件引腳需遠離I/O電纜。

(16石英晶體下面以及對噪聲敏感的器件下面不要走線。

(17弱信號電路,低頻電路周圍不要形成電流環路。

(18任何信號都不要形成環路,如不可避免,讓環路區盡量小。

4PCB板的地線設計

在電子設備中,接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結合起來使用,可解決大部分干擾問題。電子設備中地線結構大致有系統地、機殼地(屏蔽地)、數字地(邏輯地)和模擬地等。

PCB板的地線設計中,接地技術既應用于多層PCB,也應用于單層PCB。接地技術的目標是最小化接地阻抗,從此減少從電路返回到電源之間的接地回路的電勢。

(1) 正確選擇單點接地與多點接地

在低頻電路中,信號的工作頻率小于1MHz,它的布線和器件間的電感影響較小,而接地電路形成的環流對干擾影響較大,因而應采用一點接地。當信號工作頻率大于10MHz時,地線阻抗變得很大,此時應盡量降低地線阻抗,應采用就近多點接地。當工作頻率在1~10MHz時,如果采用一點接地,其地線長度不應超過波長的1/20,否則應采用多點接地法。高頻電路宜采用多點串聯接地,地線應短而,高頻元件周圍盡量布置柵格狀大面積箔。

(2) 將數字電路與模擬電路分開

電路板上既有高速邏輯電路,又有線性電路,應使它們盡量分開,而兩者的地線不要相混,分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。

(3) 盡量加粗接地線

若接地線很細,接地電位則隨電流的變化而變化,致使電子設備的定時信號電平不穩,抗噪聲性能變壞。因此應將接地線盡量加粗,使它能通過三于印制線路板的允許電流。如有可能,接地線的寬度應大于3mm

(4) 將接地線構成閉環路

設計只由數字電路組成的印制線路板的地線系統時,將接地線做成閉環路可以明顯的提高抗噪聲能力。其原因在于:印制線路板上有很多集成電路元件,尤其遇有耗電多的元件時,因受接地線粗細的限制,會在地結上產生較大的電位差,引起抗噪聲能力下降,若將接地結構成環路,則會縮小電位差值,提高電子設備的抗噪聲能力。

(5) 當采用多層線路板設計時,可將其中一層作為全地平面這樣可減少接地阻抗,同時又起到屏蔽作用。我們常常在印制板周邊布一圈寬的地線也是起著同樣的作用。

(6) 單層PCB的接地線

在單層(單面)PCB中,接地線的寬度應盡可能的寬,且至少應為1.5mm(60mil)。由于在單層PCB上無法實現星形布線,因此跳線和地線寬度的改變應當保持為最低,否則將引起線路阻抗與電感的變化。

(7) 雙層PCB的接地線

在雙層(雙面)PCB中,對于數字電路優先使用地線柵格/點陣布線,這種布線方式可以減少接地阻抗、接地回路和信號環路。像在單層PCB中那樣,地線和電源線的寬度最少應為1.5mm

另外的一種布局是將接地層放在一邊,信號和電源線放于另一邊。在這種布置方式中將進一步減少接地回路和阻抗。此時,去耦電容可以放置在距離IC供電線和接地層之間盡可能近的地方。

(8PCB電容

在多層板上,由分離電源面和地面的絕緣薄層產生了PCB電容。在單層板上,電源線和地線的平行布放也將存在這種電容效應。PCB電容的一個優點是它具有非常高的頻率響應和均勻的分布在整個面或整條線上的低串連電感,它等效于一個均勻分布在整個板上的去耦電容。沒有任何一個單獨的分立元件具有這個特性。

(9) 高速電路與低速電路

布放高速電路和元件時應使其更接近接地面,而低速電路和元件應使其接近電源面。

(10) 地的銅填充

在某些模擬電路中,沒有用到的電路板區域是由一個大的接地面來覆蓋,以此提供屏蔽和增加去耦能力。但是假如這片銅區是懸空的(比如它沒有和地連接),那么它可能表現為一個天線,并將導致電磁兼容問題。

(11) 多層PCB中的接地面和電源面

在多層PCB中,推薦把電源面和接地面盡可能近的放置在相鄰的層中,以便在整個板上產生一個大的PCB電容。速度最快的關鍵信號應當臨近接地面的一邊,非關鍵信號則布置靠近電源面。

(12) 電源要求

當電路需要不止一個電源供給時,采用接地將每個電源分離開。但是在單層PCB中多點接地是不可能的。一種解決方法是把從一個電源中引出的電源線和地線同其他的電源線和地線分隔開,這同樣有助于避免電源之間的噪聲耦合。


5.模擬數字混合線路板的設計

如何降低數字信號和模擬信號間的相互干擾呢?兩個基本原則:第一個原則是盡可能減小電流環路的面積;第二個原則是系統只采用一個參考面。相反,如果系統存在兩個參考面,就可能形成一個偶極天線(注:小型偶極天線的輻射大小與線的長度、流過的電流大小以及頻率成正比);而如果信號不能通過盡可能小的環路返回,就可能形成一個大的環狀天線(注:小型環狀天線的輻射大小與環路面積、流過環路的電流大小以及頻率的平方成正比)。在設計中要盡可能避免這兩種情況。

有人建議將混合信號電路板上的數字地和模擬地分割開,這樣能實現數字地和模擬地之間的隔離。盡管這種方法可行,但是存在很多潛在的問題,在復雜的大型系統中問題尤其突出。最關鍵的問題是不能跨越分割間隙布線,一旦跨越了分割間隙布線,電磁輻射和信號串擾都會急劇增加。在PCB設計中最常見的問題就是信號線跨越分割地或電源而產生EMI問題。

了解電流回流到地的路徑和方式是優化混合信號電路板設計的關鍵。許多設計工程師僅僅考慮信號電流從哪兒流過,而忽略了電流的具體路徑。如果必須對地線層進行分割,而且必須通過分割之間的間隙布線,可以先在被分割的地之間進行單點連接,形成兩個地之間的連接橋,然后通過該連接橋布線。這樣,在每一個信號線的下方都能夠提供一個直接的電流回流路徑,從而使形成的環路面積很小。

采用光隔離器件或變壓器也能實現信號跨越分割間隙。對于前者,跨越分割間隙的是光信號;在采用變壓器的情況下,跨越分割間隙的是磁場。還有一種可行的辦法是采用差分信號:信號從一條線流入從另外一條信號線返回,這種情況下,不需要地作為回流路徑。

在實際工作中一般傾向于使用統一地,將PCB分區為模擬部分和數字部分。模擬信號在電路板所有層的模擬區內布線,而數字信號在數字電路區內布線。在這種情況下,數字信號返回電流不會流入到模擬信號的地。只有將數字信號布線在電路板的模擬部分之上或者將模擬信號布線在電路板的數字部分之上時,才會出現數字信號對模擬信號的干擾。出現這種問題并不是因為沒有分割地,真正原因是數字信號布線不適當。

在將A/D轉換器的模擬地和數字地管腳連接在一起時,大多數的A/D轉換器廠商會建議:將AGNDDGND管腳通過最短的引線連接到同一個低阻抗的地上。如果系統僅有一個A/D轉換器,上面的問題就很容易解決。將地分割開,在A/D轉換器下面把模擬地和數字地部分連接在一起。采取該方法時,必須保證兩個地之間的連接橋寬度與IC等寬,并且任何信號線都不能跨越分割間隙。如果系統中A/D轉換器較多,例如10A/D轉換器怎樣連接呢?如果在每一個A/D轉換器的下面都將模擬地和數字地連接在一起,則產生多點相連,模擬地和數字地之間的隔離就毫無意義。而如果不這樣連接,就違反了廠商的要求。

最好的辦法是開始時就用統一地。將統一的地分為模擬部分和數字部分。這樣的布局布線既滿足了IC器件廠商對模擬地和數字地管腳低阻抗連接的要求,同時又不會形成環路天線或偶極天線而產生EMC問題。

混合信號PCB設計是一個復雜的過程,設計過程要注意以下幾點:

(1) PCB分區為獨立的模擬部分和數字部分。

(2) 合適的元器件布局。

(3) A/D轉換器跨分區放置。

(4) 不要對地進行分割。在電路板的模擬部分和數字部分下面敷設統一地。

(5) 在電路板的所有層中,數字信號只能在電路板的數字部分布線模擬信號只能在電路板的模擬部分布線。

(6) 實現模擬和數字電源分割。

(7) 布線不能跨越分割電源面之間的間隙。

(8) 必須跨越分割電源之間間隙的信號線要位于緊鄰大面積地的布線層上。

(9) 分析返回地電流實際流過的路徑和方式。

(10) 采用正確的布線規則。

6PCB設計時的電路措施

我們在設計電子線路時,比較多考慮的是產品的實際性能,而不會太多考慮產品的電磁兼容特性和電磁騷擾的抑制及電磁抗干擾特性。用這樣的電路原理圖進行PCB的排板時為達到電磁兼容的目的,必須采取必要的電路措施,即在其電路原理圖的基礎上增加必要的附加電路,以提高其產品的電磁兼容性能。實際PCB設計中可采用以下電路措施:

(1) 可用在PCB走線上串接一個電阻的辦法,降低控制信號線上下沿跳變速率。

(2) 盡量為繼電器等提供某種形式的阻尼(高頻電容、反向二極管等)。

(3) 對進入印制板的信號要加濾波,從高噪聲區到低噪聲區的信號也要加濾波,同時用串終端電阻的辦法,減小信號反射。

(4) MCU無用端要通過相應的匹配電阻接電源或接地。或定義成輸出端,集成電路上該接電源、地的端都要接,不要懸空。

(5) 閑置不用的門電路輸入端不要懸空,而是通過相應的匹配電阻接電源或接地。閑置不用的運放正輸入端接地,負輸入端接輸出端。

(6) 為每個集成電路設一個高頻去耦電容。每個電解電容邊上都要加一個小的高頻旁路電容。

(7) 用大容量的鉭電容或聚酯電容而不用電解電容作電路板上的充放電儲能電容。使用管狀電容時,外殼要接地。


7.結束語

印制線路板是電子產品最基本的部件,也是絕大部分電子元器件的載體。當一個產品的印制線路板設計完成后,可以說其核心電路的騷擾和抗擾特性就基本已經確定下來了,要想再提高其電磁兼容特性,就只能通過接口電路的濾波和外殼的屏蔽來“圍追堵截”了,這樣不但大大增加了產品的后續成本,也增加了產品的復雜程度,降低了產品的可靠性。可以說一個好的印制線路板可以解決大部分的電磁騷擾問題,只要同時在接口電路排板時增加適當瞬態抑制器件和濾波電路就可以同時解決大部分抗擾度問題。

印制線路板的電磁兼容設計是一個技巧性很強的工作,同時,也需要大量的經驗積累。一個電磁兼容設計良好的印制板是一個完美的“工藝品”,是無法抄襲和照搬的。但這并不是說我們的印制線路板就不必考慮產品的電磁兼容性能,只有通過外圍電路和外殼進行補救了。只要我們在PCB設計中能遵守本文所羅列的設計規則,也可以解決大部分的電磁兼容問題,再通過少量的外圍瞬態抑制器件和濾波電路及適當的外殼屏蔽和正確的接地,就可以完成一個滿足電磁兼容要求的產品。若我們注意平時的經驗和技術的積累和總結,最終我們也可以成為PCB“工藝品”設計大師,設計出自己的PCB“工藝極品”。

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