【導讀】輻射是由電流而非電壓引起的。靜態(tài)電荷產(chǎn)生靜電場,恒定電流產(chǎn)生磁場,時變電流既產(chǎn)生電場又產(chǎn)生磁場。任何電路中都存在共模電流和差模電流,差模信號攜帶數(shù)據(jù)或有用信號,共模信號是差模模式的負面效果。
輻射產(chǎn)生
輻射是由電流而非電壓引起的。靜態(tài)電荷產(chǎn)生靜電場,恒定電流產(chǎn)生磁場,時變電流既產(chǎn)生電場又產(chǎn)生磁場。任何電路中都存在共模電流和差模電流,差模信號攜帶數(shù)據(jù)或有用信號,共模信號是差模模式的負面效果。
差模電流
大小相等,方向(相位)相反。由于走線的分布,電容、電感、信號走線阻抗不連續(xù),以及信號回流路徑流過了意料之外的通路等,差模電流會轉(zhuǎn)換成共模電流。
共模電流
大小不一定相等,方向(相位)相同。設備對外的干擾多以共模為主,差模干擾也存在,但共模干擾強度常常比差模大幾個數(shù)量級。外來的干擾也多以共模干擾為主,共模干擾本身一般不會對設備產(chǎn)生危害,但如果共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅8蓴_,就嚴重了,因為有用信號都是差模信號。差模電流的磁場主要集中在差模電流構(gòu)成的回路面積內(nèi),而回路面積之外,磁力線會相互抵消;共模電流的磁場在回路面積之外,共模電流產(chǎn)生的磁場方向相同。PCB的很多EMC設計都遵循以上理論。
在PCB板上抑制干擾的途徑有:
1、減小差模信號回路面積。
2、減小高頻噪聲回流(濾波、隔離及匹配)。
3、減小共模電壓(接地設計)。
PCB設計原則歸納
原則1:PCB時鐘頻率超過5MHz或信號上升時間小于5ns,一般需要使用多層板設計。
原因:采用多層板設計,信號回路面積能夠得到很好的控制。
原則2:對于多層板,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(yōu)選兩地平面之間。
原因: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。
原則3:對于單層板,關鍵信號線兩側(cè)應該包地處理。
原因:關鍵信號兩側(cè)包地,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的串擾。
原則4:對于雙層板,關鍵信號線的投影平面上有大面積鋪地,或者與單面板一樣包地打孔處理。
原因:與多層板關鍵信號靠近地平面相同。
原則5:多層板中,電源平面應相對于其相鄰地平面內(nèi)縮5H-20H(H為電源和地平面的距離)。
原因:電源平面相對于其回流地平面內(nèi)縮可以有效抑制邊緣輻射問題。
原則6:布線層的投影平面應該在其回流平面層區(qū)域內(nèi)。
原因:布線層如果不在回流平面層的投影區(qū)域內(nèi),會導致邊緣輻射問題,并且導致信號回路面積增大,從而導致差模輻射增大。
原則7:多層板中,單板TOP、BOTTOM層盡量無大于50MHZ的信號線。
原因: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。
原則8:對于板級工作頻率大于50MHz的單板,若第二層與倒數(shù)第二層為布線層,則TOP和BOOTTOM層應鋪接地銅箔。
原因: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。
原則9:多層板中,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。
原因:電源平面和地平面相鄰可以有效地減小電源電路回路面積。
原則10:在單層板中,電源走線附近必須有地線與其緊鄰、平行走線。
原因:減小電源電流回路面積。
原則11:在雙層板中,電源走線附近必須有地線與其緊鄰、平行走線。
原因:減小電源電流回路面積。
原則12:在分層設計時,盡量避免布線層相鄰的設置。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。
原因:相鄰布線層上的平行信號走線會導致信號串擾。
原則13:相鄰平面層應避免其投影平面重疊。
原因: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。
原則14: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(huán)繞。
原因:避免信號直接耦合,影響信號質(zhì)量。
原則15:多種模塊電路在同一PCB上放置時,數(shù)字電路與模擬電路、高速與低速電路應分開布局。
原因: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。
原則16:當線路板上同時存在高、中、低速電路時,應該遵從高、中速電路遠離接口的原則。
原因:避免高頻電路噪聲通過接口向外輻射。
原則17: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。
原因:儲能電容的存在可以減小大電流回路的回路面積。
原則18:線路板電源輸入口的濾波電路應靠近接口放置。
原因:避免已經(jīng)經(jīng)過了濾波的線路被再次耦合。
原則19:在PCB板上,接口電路的濾波、防護以及隔離器件應該靠近接口放置。
原因:可以有效的實現(xiàn)防護、濾波和隔離的效果。
原則20: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。
原因:防護電路用來進行外來過壓和過流抑制,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。
原則21: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。
原因:上述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。
原則22: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。
原因:避免濾波或隔離器件通過平面層互相耦合,削弱效果。