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    欣漢生;EMC的PCB設計技術

    瀏覽:     發表時間:2020-08-12 11:24:03

    EMC的PCB設計技術

    除了元器件的選擇和電路設計之外,良好的印制電路板(PCB)設計在電磁兼容性中也是一個非常重要的因素。PCB EMC設計的關鍵,是盡可能減小回流面積,讓回流路徑按照設計的方向流動。最常見返回電流問題來自于參考平面的裂縫、變換參考平面層、以及流經連接器的信號。跨接電容器或是去耦合電容器可能可以解決一些問題,但是必需要考慮到電容器、過孔、焊盤以及布線的總體阻抗。本講將從PCB的分層策略、布局技巧和布線規則三個方面,介紹EMC的PCB設計技術。


    PCB分層策略

    電路板設計中厚度、過孔制程和電路板的層數不是解決問題的關鍵,優良的分層堆疊是保證電源匯流排的旁路和去耦、使電源層或接地層上的瞬態電壓最小并將信號和電源的電磁場屏蔽起來的關鍵。從信號走線來看,好的分層策略應該是把所有的信號走線放在一層或若干層,這些層緊挨著電源層或接地層。對於電源,好的分層策略應該是電源層與接地層相鄰,且電源層與接地層的距離盡可能小,這就是我們所講的“分層”策略。下面我們將具體談談優良的PCB分層策略。

    1.布線層的投影平面應該在其回流平面層區域內。布線層如果不在其回流平面層地投影區域內,在布線時將會有信號線在投影區域外,導致“邊緣輻射”問題,并且還會導致信號回路面積地增大,導致差模輻射增大。

    2.盡量避免布線層相鄰的設置。因為相鄰布線層上的平行信號走線會導致信號串擾,所以如果無法避免布線層相鄰,應該適當拉大兩布線層之間的層間距,縮小布線層與其信號回路之間的層間距。

    3.相鄰平面層應避免其投影平面重疊。因為投影重疊時,層與層之間的耦合電容會導致各層之間的噪聲互相耦合。

    多層板設計:

    時鐘頻率超過5MHz,或信號上升時間小于5ns時,為了使信號回路面積能夠得到很好的控制,一般需要使用多層板設計。在設計多層板時應注意如下幾點原則:

    1.關鍵布線層(時鐘線、總線、接口信號線、射頻線、復位信號線、片選信號線以及各種控制信號線等所在層)應與完整地平面相鄰,優選兩地平面之間,如圖1所示。關鍵信號線一般都是強輻射或極其敏感的信號線,靠近地平面布線能夠使其信號回路面積減小,減小其輻射強度或提高抗干擾能力。

    圖1 關鍵布線層在兩地平面之間

    2.電源平面應相對于其相鄰地平面內縮(建議值5H~20H)。電源平面相對于其回流地平面內縮可以有效抑制“邊緣輻射”問題,如圖2所示。

    圖2電源平面應相對于其相鄰地平面內縮

    此外,單板主工作電源平面(使用最廣泛的電源平面)應與其地平面緊鄰,以有效地減小電源電流的回路面積,如圖3所示。

    圖3 電源平面應與其地平面緊鄰

    3.單板TOP、BOTTOM層是否無≥50MHz的信號線。如有,最好將高頻信號走在兩個平面層之間,以抑制其對空間的輻射。

    單層板和雙層板設計:

    對于單層板和雙層板的設計,主要應注意關鍵信號線和電源線的設計。電源走線附近必須有地線與其緊鄰、平行走線,以減小電源電流回路面積。

    單層板的關鍵信號線兩側應該布“Guide Ground Line”,如圖4所示。雙層板的關鍵信號線地投影平面上應有大面積鋪地,或者同單層板地處理辦法,設計“Guide Ground Line”,如圖5所示。關鍵信號線兩側地“保衛地線”一方面可以減小信號回路面積,另外,還可以防止信號線與其他信號線之間地串擾。

    圖4單層板的關鍵信號線兩側布“Guide Ground Line”

    圖5 雙層板的關鍵信號線地投影平面上大面積鋪地

      

    總的來說,PCB板的分層可以依據下表來設計。

    PCB布局技巧

    PCB布局設計時,應充分遵守沿信號流向直線放置的設計原則,盡量避免來回環繞,如圖6所示。這樣可以避免信號直接耦合,影響信號質量。此外,為了防止電路之間、電子元器件之間的互相干擾和耦合,電路的放置和元器件的布局應遵從如下原則:

    圖6 電路模塊沿信號流向直線放置

    1.單板上如果設計了接口“干凈地”,則濾波、隔離器件應放置在“干凈地”和工作地之間的隔離帶上。這樣可以避免濾波或隔離器件通過平面層互相耦合,削弱效果。此外,“干凈地”上,除了濾波和防護器件之外,不能放置任何其他器件。

    2.多種模塊電路在同一PCB上放置時,數字電路與模擬電路、高速與低速電路應分開布局,以避免數字電路、模擬電路、高速電路以及低速電路之間的互相干擾。另外,當線路板上同時存在高、中、低速電路時,為了避免高頻電路噪聲通過接口向外輻射,應該遵從圖7中的布局原則。

    圖7 高、中、低速電路布局原則

    3.線路板電源輸入口的濾波電路應應靠近接口放置,避免已經經過了濾波的線路被再次耦合。

    圖8 電源輸入口的濾波電路應應靠近接口放置

    4.接口電路的濾波、防護以及隔離器件靠近接口放置,如圖9所示,可以有效的實現防護、濾波和隔離的效果。如果接口處既有濾波又有防護電路,應該遵從先防護后濾波的原則。因為防護電路是用來進行外來過壓和過流抑制的,如果將防護電路放置在濾波電路之后,濾波電路會被過壓和過流損壞。此外,由于電路的輸入輸出走線相互耦合時會削弱濾波、隔離或防護效果,布局時要保證濾波電路(濾波器)、隔離以及防護電路的輸入輸出線不要相互耦合。

    圖9接口電路的濾波、防護以及隔離器件靠近接口放置

    5.敏感電路或器件(如復位電路等)遠離單板各邊緣特別是單板接口側邊緣至少1000mil。

    6.存在較大電流變化的單元電路或器件(如電源模塊的輸入輸出端、風扇及繼電器)附近應放置儲能和高頻濾波電容,以減小大電流回路的回路面積。

    7.濾波器件需并排放置,以防止濾波后的電路被再次干擾。

    8.晶體、晶振、繼電器、開關電源等強輻射器件遠離單板接口連接器至少1000mil。這樣可將干擾直接向外輻射或在外出電纜上耦合出電流來向外輻射。

    PCB布線規則

    除了元器件的選擇和電路設計之外,良好的印制電路板(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。任何人都應記住一個拙劣的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。下面將對PCB布線的一些普遍規則和電源線、地線及信號線的設計策略進行介紹,最后,根據這些規則,對空氣調節器的典型印制電路板電路提出改進措施。

    1. 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。3W規范表明所有的信號(時鐘,視頻,音頻,復位等等)都必須象圖10所示那樣,在線與線,邊沿到邊沿間予以隔離。為了進一步的減小磁耦合,將基準地布放在關鍵信號附近以隔離其他信號線上產生的耦合噪聲。

    圖10 線跡隔離

    2.保護與分流線路

    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。在圖21中,PCB內的并聯或者保護線路是沿著關鍵信號的線路布放。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被端接(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。

    圖11 分流和保護線路

    3.電源線設計

    根據印制線路板電流的大小,盡量加粗電源線寬度,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。在單面板或雙面板中,如果電源線走線很長,應每隔3000mil對地加去耦合電容,電容取值為10uF+1000pF。

    4.地線設計

    地線設計的原則是:

    (1)數字地與模擬地分開。若線路板上既有邏輯電路又有線性電路,應使它們盡量分開。低頻電路的地應盡量采用單點并聯接地,實際布線有困難時可部分串聯后再并聯接地。高頻電路宜采用多點串聯接地,地線應短而租,高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。

    (2)接地線應盡量加粗。若接地線用很紉的線條,則接地電位隨電流的變化而變化,使抗噪性能降低。因此應將接地線加粗,使它能通過三倍于印制板上的允許電流。如有可能,接地線應在2~3mm以上。

    (3)接地線構成閉環路。只由數字電路組成的印制板,其接地電路布成團環路大多能提高抗噪聲能力。

    5.信號線設計

    對于關鍵信號線,如果單板有內部信號走線層,則時鐘等關鍵信號線布在內層,優先考慮優選布線層。另外,關鍵信號線一定不能跨分割區走線,包括過孔、焊盤導致的參考平面間隙,否則會導致信號回路面積的增大。而且關鍵信號線應距參考平面邊沿≥3H(H為線距離參考平面的高度),以抑制邊緣輻射效應。

    對于時鐘線、總線、射頻線等強輻射信號線和復位信號線、片選信號線、系統控制信號等敏感信號線,應遠離接口外出信號線。從而避免強輻射信號線上的干擾耦合到外出信號線上,向外輻射;也避免接口外出信號線帶進來的外來干擾耦合到敏感信號線上,導致系統誤操作。

    對于差分信號線應同層、等長、并行走線,保持阻抗一致,差分線間無其它走線。因為保證差分線對的共模阻抗相等,可以提高其抗干擾能力。

    根據以上布線規則,對空氣調節器的典型印制電路板電路進行改進優化,如圖12所示。

    圖12 改進空氣調節器的典型印制電路板電路

    總體來說,PCB設計對EMC的改善是:在布線之前,先研究好回流路徑的設計方案,就有最好的成功機會,可以達成降低EMI輻射的目標。而且在還沒有動手實際布線之前,變更布線層等都不必花費任何錢,是改善EMC最便宜的做法。


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