【導(dǎo)讀】除了元器件的選擇和電路設(shè)計(jì)之外,良好的印制電路板(PCB)設(shè)計(jì)在電磁兼容性中也是一個(gè)非常重要的因素。PCB EMC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,是盡可能減小回流面積,讓回流路徑按照設(shè)計(jì)的方向流動(dòng)。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(jīng)連接器的信號(hào)。本講將從PCB的分層策略、布局技巧和布線規(guī)則三個(gè)方面,介紹EMC的PCB設(shè)計(jì)技術(shù)。
PCB分層策略
電路板設(shè)計(jì)中厚度、過孔制程和電路板的層數(shù)不是解決問題的關(guān)鍵,優(yōu)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(tài)電壓最小并將信號(hào)和電源的電磁場(chǎng)屏蔽起來的關(guān)鍵。從信號(hào)走線來看,好的分層策略應(yīng)該是把所有的信號(hào)走線放在一層或若干層,這些層緊挨著電源層或接地層。對(duì)於電源,好的分層策略應(yīng)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?wù)剝?yōu)良的PCB分層策略。
1.布線層的投影平面應(yīng)該在其回流平面層區(qū)域內(nèi)。布線層如果不在其回流平面層地投影區(qū)域內(nèi),在布線時(shí)將會(huì)有信號(hào)線在投影區(qū)域外,導(dǎo)致“邊緣輻射”問題,并且還會(huì)導(dǎo)致信號(hào)回路面積地增大,導(dǎo)致差模輻射增大。
2.盡量避免布線層相鄰的設(shè)置。因?yàn)橄噜彶季€層上的平行信號(hào)走線會(huì)導(dǎo)致信號(hào)串?dāng)_,所以如果無法避免布線層相鄰,應(yīng)該適當(dāng)拉大兩布線層之間的層間距,縮小布線層與其信號(hào)回路之間的層間距。
3.相鄰平面層應(yīng)避免其投影平面重疊。因?yàn)橥队爸丿B時(shí),層與層之間耦合電容會(huì)導(dǎo)致各層之間噪聲互相耦合。
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多層板設(shè)計(jì)
時(shí)鐘頻率超過5MHz,或信號(hào)上升時(shí)間小于5ns時(shí),為了使信號(hào)回路面積能夠得到很好的控制,一般需要使用多層板設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)多層板時(shí)應(yīng)注意如下幾點(diǎn)原則:
1.關(guān)鍵布線層(時(shí)鐘線、總線、接口信號(hào)線、射頻線、復(fù)位信號(hào)線、片選信號(hào)線以及各種控制信號(hào)線等所在層)應(yīng)與完整地平面相鄰,優(yōu)選兩地平面之間,如圖1所示。關(guān)鍵信號(hào)線一般都是強(qiáng)輻射或極其敏感的信號(hào)線,靠近地平面布線能夠使其信號(hào)回路面積減小,減小其輻射強(qiáng)度或提高抗干擾能力。
圖1:關(guān)鍵布線層在兩地平面之間
2.電源平面應(yīng)相對(duì)于其相鄰地平面內(nèi)縮(建議值5H~20H)。電源平面相對(duì)于其回流地平面內(nèi)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(yīng)相對(duì)于其相鄰地平面內(nèi)縮
此外,單板主工作電源平面(使用最廣泛的電源平面)應(yīng)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(yīng)與其地平面緊鄰
3.單板TOP、BOTTOM層是否無≥50MHz的信號(hào)線。如有,最好將高頻信號(hào)走在兩個(gè)平面層之間,以抑制其對(duì)空間的輻射。
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單層板和雙層板設(shè)計(jì)
對(duì)于單層板和雙層板的設(shè)計(jì),主要應(yīng)注意關(guān)鍵信號(hào)線和電源線的設(shè)計(jì)。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(guān)鍵信號(hào)線兩側(cè)應(yīng)該布“Guide Ground Line”,如圖4所示。雙層板的關(guān)鍵信號(hào)線地投影平面上應(yīng)有大面積鋪地,或者同單層板地處理辦法,設(shè)計(jì)“Guide Ground Line”,如圖5所示。關(guān)鍵信號(hào)線兩側(cè)地“保衛(wèi)地線”一方面可以減小信號(hào)回路面積,另外,還可以防止信號(hào)線與其他信號(hào)線之間地串?dāng)_。
圖4:?jiǎn)螌影宓年P(guān)鍵信號(hào)線兩側(cè)布“Guide Ground Line”
圖5 :雙層板的關(guān)鍵信號(hào)線地投影平面上大面積鋪地
圖6:PCB板的分層可以依據(jù)下表來設(shè)計(jì)
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PCB布局技巧
PCB布局設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分遵守沿信號(hào)流向直線放置的設(shè)計(jì)原則,盡量避免來回環(huán)繞,如圖6所示。這樣可以避免信號(hào)直接耦合,影響信號(hào)質(zhì)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(yīng)遵從如下原則:
圖 7:電路模塊沿信號(hào)流向直線放置
1.單板上如果設(shè)計(jì)了接口“干凈地”,則濾波、隔離器件應(yīng)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(hù)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(shí),數(shù)字電路與模擬電路、高速與低速電路應(yīng)分開布局,以避免數(shù)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(dāng)線路板上同時(shí)存在高、中、低速電路時(shí),為了避免高頻電路噪聲通過接口向外輻射,應(yīng)該遵從圖7中的布局原則。
圖8: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(yīng)應(yīng)靠近接口放置,避免已經(jīng)經(jīng)過了濾波的線路被再次耦合。
圖9:電源輸入口的濾波電路應(yīng)應(yīng)靠近接口放置
4.接口電路的濾波、防護(hù)以及隔離器件靠近接口放置,如圖9所示,可以有效的實(shí)現(xiàn)防護(hù)、濾波和隔離的效果。如果接口處既有濾波又有防護(hù)電路,應(yīng)該遵從先防護(hù)后濾波的原則。因?yàn)榉雷o(hù)電路是用來進(jìn)行外來過壓和過流抑制的,如果將防護(hù)電路放置在濾波電路之后,濾波電路會(huì)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(shí)會(huì)削弱濾波、隔離或防護(hù)效果,布局時(shí)要保證濾波電路(濾波器)、隔離以及防護(hù)電路的輸入輸出線不要相互耦合。
圖10:接口電路的濾波、防護(hù)以及隔離器件靠近接口放置
5.敏感電路或器件(如復(fù)位電路等)遠(yuǎn)離單板各邊緣特別是單板接口側(cè)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(fēng)扇及繼電器)附近應(yīng)放置儲(chǔ)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(guān)電源等強(qiáng)輻射器件遠(yuǎn)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。
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PCB布線規(guī)則
除了元器件的選擇和電路設(shè)計(jì)之外,良好的印制電路板(PCB)布線在電磁兼容性中也是一個(gè)非常重要的因素。既然PCB是系統(tǒng)的固有成分,在PCB布線中增強(qiáng)電磁兼容性不會(huì)給產(chǎn)品的最終完成帶來附加費(fèi)用。任何人都應(yīng)記住一個(gè)拙劣的PCB布線能導(dǎo)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(duì)整個(gè)板子重新布線。因此,在開始時(shí)養(yǎng)成良好的PCB布線習(xí)慣是最省錢的辦法。下面將對(duì)PCB布線的一些普遍規(guī)則和電源線、地線及信號(hào)線的設(shè)計(jì)策略進(jìn)行介紹,最后,根據(jù)這些規(guī)則,對(duì)空氣調(diào)節(jié)器的典型印制電路板電路提出改進(jìn)措施。
1. 布線分離
布線分離的作用是將PCB同一層內(nèi)相鄰線路之間的串?dāng)_和噪聲耦合最小化。3W規(guī)范表明所有的信號(hào)(時(shí)鐘,視頻,音頻,復(fù)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(jìn)一步的減小磁耦合,將基準(zhǔn)地布放在關(guān)鍵信號(hào)附近以隔離其他信號(hào)線上產(chǎn)生的耦合噪聲。
圖11:線跡隔離
2.保護(hù)與分流線路
設(shè)置分流和保護(hù)線路是對(duì)關(guān)鍵信號(hào),比如對(duì)在一個(gè)充滿噪聲的環(huán)境中的系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行隔離和保護(hù)的非常有效的方法。在圖21中,PCB內(nèi)的并聯(lián)或者保護(hù)線路是沿著關(guān)鍵信號(hào)的線路布放。保護(hù)線路不僅隔離了由其他信號(hào)線上產(chǎn)生的耦合磁通,而且也將關(guān)鍵信號(hào)從與其他信號(hào)線的耦合中隔離開來。分流線路和保護(hù)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(hù)線路的兩端都必須連接到地。為了進(jìn)一步的減少耦合,多層PCB中的保護(hù)線路可以每隔一段就加上到地的通路。
圖12:分流和保護(hù)線路
3.電源線設(shè)計(jì)
根據(jù)印制線路板電流的大小,盡量加粗電源線寬度,減少環(huán)路電阻。同時(shí)、使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致,這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。在單面板或雙面板中,如果電源線走線很長(zhǎng),應(yīng)每隔3000mil對(duì)地加去耦合電容,電容取值為10uF+1000pF。
4.地線設(shè)計(jì)
地線設(shè)計(jì)的原則是:
(1)數(shù)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(yīng)使它們盡量分開。低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地,實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地,地線應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)在2~3mm以上?! ?br />
(3)接地線構(gòu)成閉環(huán)路。只由數(shù)字電路組成的印制板,其接地電路布成團(tuán)環(huán)路大多能提高抗噪聲能力。
5.信號(hào)線設(shè)計(jì)
對(duì)于關(guān)鍵信號(hào)線,如果單板有內(nèi)部信號(hào)走線層,則時(shí)鐘等關(guān)鍵信號(hào)線布在內(nèi)層,優(yōu)先考慮優(yōu)選布線層。另外,關(guān)鍵信號(hào)線一定不能跨分割區(qū)走線,包括過孔、焊盤導(dǎo)致的參考平面間隙,否則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)回路面積的增大。而且關(guān)鍵信號(hào)線應(yīng)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(yīng)。
對(duì)于時(shí)鐘線、總線、射頻線等強(qiáng)輻射信號(hào)線和復(fù)位信號(hào)線、片選信號(hào)線、系統(tǒng)控制信號(hào)等敏感信號(hào)線,應(yīng)遠(yuǎn)離接口外出信號(hào)線。從而避免強(qiáng)輻射信號(hào)線上的干擾耦合到外出信號(hào)線上,向外輻射;也避免接口外出信號(hào)線帶進(jìn)來的外來干擾耦合到敏感信號(hào)線上,導(dǎo)致系統(tǒng)誤操作。
對(duì)于差分信號(hào)線應(yīng)同層、等長(zhǎng)、并行走線,保持阻抗一致,差分線間無其它走線。因?yàn)楸WC差分線對(duì)的共模阻抗相等,可以提高其抗干擾能力。
根據(jù)以上布線規(guī)則,對(duì)空氣調(diào)節(jié)器的典型印制電路板電路進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,如圖12所示。
圖13: 改進(jìn)空氣調(diào)節(jié)器的典型印制電路板電路
總體來說,PCB設(shè)計(jì)對(duì)EMC的改善是:在布線之前,先研究好回流路徑的設(shè)計(jì)方案,就有最好的成功機(jī)會(huì),可以達(dá)成降低EMI輻射的目標(biāo)。而且在還沒有動(dòng)手實(shí)際布線之前,變更布線層等都不必花費(fèi)任何錢,是改善EMC最便宜的做法。