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线路板(PCB)级的电磁兼容设计

发布时间:2017-09-05浏览次数:36

 线路PCB)级的电磁兼容设计

1.引言

印制线路板PCB是电子产品中电路元件和器件的支撑件它提供电路元件和器件之间的电气连接,它是各种电子设备最基本的组成部分,它的性能直接关系到电子设备质量的好坏。随着信息化社会的发展,各种电子产品经常在一起工作,它们之间的干扰越来越严重,所以,电磁兼容问题也就成为一个电子系统能否正常工作的关键。同样,随着电于技术的发展,PCB的密度越来越高PCB设计的好坏对电路的干扰及抗干扰能力影响很大。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布线在电磁兼容性中也是一个非常重要的因素。

既然PCB是系统的固有成分,在PCB布线中增强电磁兼容性不会给产品的最终完成带来附加费用。但是,在印制线路板设计中,产品设计师往往只注重提高密度,减小占用空间,制作简单,或追求美观,布局均匀,忽视了线路布局对电磁兼容性的影响,使大量的信号辐射到空间形成骚扰。一个拙劣的PCB布线能导致更多的电磁兼容问题,而不是消除这些问题。在很多例子中,就算加上滤波器和元器件也不能解决这些问题。到最后,不得不对整个板子重新布线。因此,在开始时养成良好的PCB布线习惯是最省钱的办法。

有一点需要注意,PCB布线没有严格的规定,也没有能覆盖所有PCB布线的专门的规则。大多数PCB布线受限于线路板的大小和覆铜板的层数。一些布线技术可以应用于一种电路,却不能用于另外一种,这便主要依赖于布线工程师的经验。然而还是有一些普遍的规则存在,下面将对其进行探讨。

为了设计质量好、造价低的PCB应遵循以下一般原则:

                   2PCB上元器件布局

首先,要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加;过小,则散热不好,且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后.再确定特殊元件的位置。最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局。

电子设备中数字电路、模拟电路以及电源电路的元件布局和布线其特点各不相同,它们产生的干扰以及抑制干扰的方法不相同。此外高频、低频电路由于频率不同其干扰以及抑制干扰的方法也不相同。所以在元件布局时,应该将数字电路、模拟电路以及电源电路分别放置将高频电路与低频电路分开。有条件的应使之各自隔离或单独做成一块电路板。此外,布局中还应特别注意强、弱信号的器件分布及信号传输方向途径等问题。

在印制板布置高速、中速和低速逻辑电路时,应按照图1-①的方式排列器件。

 

 

器件布置方面与其它逻辑电路一样,应把相互有关的器件尽量放得靠近些,这样可以获得较好的抗噪声效果。元件在印刷线路板上排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题。原则之一是各部件之间的引线要尽量短。在布局上,要把模拟信号部分,高速数字电路部分,噪声源部分(如继电器,大电流开关等)这三部分合理地分开,使相互间的信号耦合为最小。如图1所示。

发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声,要相互靠近些。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路如有可能,应另做电路板,这一点十分重要。


2.1 在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则:

(1) 尽可能缩短高频元器件之间的连线,设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近,输入和输出元件应尽量远离。

(2) 某些元器件或导线之间可能有较高的电位差,应加大它们之间的距离,以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。

(3) 重量超过15g的元器件、应当用支架加以固定,然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件,不宜装在印制板上,而应装在整机的机箱底板上,且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。

(4) 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节,应放在印制板上方便于调节的地方;若是机外调节,其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。

(5) 应留出印制定位孔及固定支架所占用的位置。


2.2 根据电路的功能单元对电路的全部元器件进行布局时,要符合以下原则:

(1) 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致的方向。

(2) 以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。

(3) 在高频下工作的电路,要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样,不但美观而且装焊容易易于批量生产。

(4) 位于电路板边缘的元器件,离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3:24:3。电路板面尺寸大于200150mm时.应考虑电路板所受的机械强度。


2.3 PCB元器件通用布局要求:

电路元件和信号通路的布局必须最大限度地减少无用信号的相互耦合:

(1) 低电子信号通道不能靠近高电平信号通道和无滤波的电源线,包括能产生瞬态过程的电路。

(2) 将低电平的模拟电路和数字电路分开,避免模拟电路、数字电路和电源公共回线产生公共阻抗耦合。

(3) 高、中、低速逻辑电路在PCB上要用不同区域。

(4) 安排电路时要使得信号线长度最小。

(5) 保证相邻板之间、同一板相邻层面之间、同一层面相邻布线之间不能有过长的平行信号线。

(6) 电磁干扰(EMI)滤波器要尽可能靠近EMI源,并放在同一块线路板上。

(7DC/DC变换器、开关元件和整流器应尽可能靠近变压器放置,以使其导线长度最小。

(8) 尽可能靠近整流二极管放置调压元件和滤波电容器。

(9) 印制板按频率和电流开关特性分区,噪声元件与非噪声元件要距离再远一些。

(10) 对噪声敏感的布线不要与大电流,高速开关线平行。


3PCB布线

3.1 印刷线路板与元器件的高频特性:

一个PCB的构成是在垂直叠层上使用了一系列的层压、走线和预浸处理的多层结构。在多层PCB中,设计者为了方便调试,会把信号线布在最外层。

PCB上的布线是有阻抗、电容和电感特性的。

阻抗:布线的阻抗是由铜和横切面面积的重量决定的。例如,1盎司铜则有0.49mΩ/单位面积的阻抗。

电容:布线的电容是由绝缘体(EoEr)电流到达的范围(A)以及走线间距(h)决定的。

用等式表达为CEoErA/hEo是自由空间的介电常数(8.854pF/m),ErPCB基体的相关介电常数(在FR4碾压板中该值为4.7

电感:布线的电感平均分布在布线中,大约为1nH/mm

对于1盎司铜线来说,在0.25mm10mil)厚的FR4碾压板上,位于地线层上方的0.5mm20mil)宽、20mm800mil)长的线能产生9.8mΩ的阻抗,20nH的电感以及与地之间1.66pF的耦合电容。

在高频情况下,印刷线路板上的走线、过孔、电阻、电容、接插件的分布电感与电容等不可忽略。电容的分布电感不可忽略,电感的分布电容不可忽略。电阻会产生对高频信号的反射和吸收。走线的分布电容也会起作用。当走线长度大于噪声频率相应波长的1/20时,就产生天线效应,噪声通过走线向外发射。

印刷线路板的过孔大约引起0.5pF的电容。一个集成电路本身的封装材料引入2~6pF电容。一个线路板上的接插件,有520nH的分布电感。一个双列直插的24引脚集成电路插座,引入4~18nH的分布电感。

这些小的分布参数对于运行在较低频率下的微控制器系统是可以忽略不计的;而对于高速系统必须予以特别注意。

下面便是避免PCB布线分布参数影响而应该遵循的一般要求:

(1) 增大走线的间距以减少电容耦合的串扰;

(2) 平行地布电源线和地线以使PCB电容达到最佳;

(3) 将敏感的高频线布在远离高噪声电源线的地方以减少相互之间的耦合;

(4) 加宽电源线和地线以减少电源线和地线的阻抗。

3.2 分割:

分割是指用物理上的分割来减少不同类型线之间的耦合,尤其是通过电源线和地线的耦合。

 

2给出了用分割技术将4个不同类型的电路分割开的例子。在地线面,非金属的沟用来隔离四个地线面。LC作为板子上的每一部分的过滤器,减少不同电路电源面间的耦合。高速数字电路由于其更高的瞬时功率需求而要求放在靠近电源入口处。接口电路可能会需要抗静电放电(ESD)和暂态抑制的器件或电路来提高其电磁抗扰性,应独立分割区域。对于LC来说,最好不同分割区域使用各自的LC,而不是用一个大的LC,因为这样它便可以为不同的电路提供不同的滤波特性。

3.3 基准面的射频电流抑制:

不管是对多层PCB的基准接地层还是单层PCB的地线,电流的路径总是从负载回到电源。返回通路的阻抗越低,PCB的电磁兼容性能越好。由于流动在负载和电源之间的射频电流的影响,长的返回通路将在彼此之间产生射频耦合,因此返回通路应当尽可能的短,环路区域应当尽可能的小。

3.4 布线分离:

布线分离的作用是将PCB同一层内相邻线路之间的串扰和噪声耦合最小化。

所有的信号(时钟,视频,音频,复位等等)在线与线、边沿到边沿间应在空间上远离。为了进一步的减小电磁耦合,将基准地布放在关键信号附近或之间以隔离其他信号线上产生的或信号线相互之间产生的耦合噪声。

3.5 电源线设计

根据印制线路板电流的大小,尽量加电源线宽度,减少环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致,这样有助于增强抗噪声能力。

3.6 抑制反射干扰与终端匹配:

为了抑制出现在印制线终端的反射干扰,除了特殊需要之外,应尽可能缩短印制线的长度和采用慢速电路。必要时可加终端匹配终端匹配方法比较多,常见终端匹配方法见图3所示。根据经验,对一般速度较快的TTL电路,其印制线条长于10cm以上时就应采用终端匹配措施。匹配电阻的阻值应根据集成电路的输出驱动电流及吸收电流的最大值来决定。时钟信号较多采用串联匹配,见图4所示。

 

 

 

3.7 保护与分流线路:

在时钟电路中,局部去耦电容对于减少沿着电源干线的噪声传播有着非常重要的作用。但是时钟线同样需要保护以免受其他电磁干扰源的干扰,否则,受扰时钟信号将在电路的其他地方引起问题。

设置分流和保护线路是对关键信号(比如:对在一个充满噪声的环境中的系统时钟信号)进行隔离和保护的非常有效的方法。PCB内的分流或者保护线路是沿着关键信号的线路两边布放隔离保护线。保护线路不仅隔离了由其他信号线上产生的耦合磁通,而且也将关键信号从与其他信号线的耦合中隔离开来。

分流线路和保护线路之间的不同之处在于分流线路不必两端端接(与地连接),但是保护线路的两端都必须连接到地。为了进一步的减少耦合,多层PCB中的保护线路可以每隔一段就加上到地的通路。

3.8 局部电源和IC间的去耦:

在直流电源回路中,负载的变化会引起电源噪声。例如在数字电路中,当电路从一个状态转换为另一种状态时,就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流,形成瞬变的噪声电压。局部去耦能够减少沿着电源干线的噪声传播。连接着电源输入口与PCB之间的大容量旁路电容起着一个低频骚扰滤波器的作用,同时作为一个电能贮存器以满足突发的功率需求。此外,在每个IC的电源和地之间都应当有去耦电容,这些去耦电容应该尽可能的接近IC引脚,这将有助于滤除IC的开关噪声。

配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声,是印制线路板的可靠性设计的一种常规做法,配置原则如下:

(1) 电源输入端跨接10~100μF的电解电容器。如有可能,接100μF以上的更好。

(2) 原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01μF的瓷片电容,如遇印制板空隙不够,可每4~8个芯片布置一个1~10μF电容。这种器件的高频阻抗特别小,在500kHz20MHz范围内阻抗小于,而且漏电流很小(0.5μA以下)。最好不用电解电容,电解电容是两层溥膜卷起来的,这种结构在高频时表现为电感。

(3) 对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件,如RAMROM存储器件,应在芯片的电源线和地线之间直接接入高频退电容。

(4) 电容引线不能太长,尤其是高频旁路电容不能有引线。

去耦电容值的选取并不严格,可按C=1/f计算:即10MHz0.1μF。对微控制器构成的系统,取0.1~0.01μF之间都可以。好的高频去耦电容可以去除高到1GHz的高频成份。陶瓷片电容或多层陶瓷电容的高频特性较好。

此外,还应注意以下两点:

(1) 在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时.操作它们时均会产生较大火花放电,必须采用RC吸收电路来吸收放电电流。一般R1~2kΩC2.2~4.7μF

(2) CMOS的输入阻抗很高,且易受感应,因此在使用时对不用端要通过电阻接地或接正电源。

3.9 布线技术:

3.9.1 过孔

过孔一般被使用在多层印制线路板中。当是高速信号时,过孔产生14nH的电感和0.30.5pF的电容。因此,当铺设高速信号通道时,过孔应该被保持绝对的最少。对于高速的并行线(如地址和数据线),如果层的改变是不可避免,应该确保每根信号线的过孔数一样。

 

3.9.2 45度角的路径

与过孔相似,直角的转弯路径应该被避免,因为它在内部的边缘能产生集中的电场。该场能耦合较强噪声到相邻路径,因此,当转动路径时全部的直角路径应该采用45度。图545度路径的一般规则。

3.9.3 短截线

 

如图6所示短截线会产生反射,同时也潜在增加辐射天线的可能。虽然短截线长度可能不是任何系统已知信号波长的四分之一整数,但是附带的辐射可能在短截线上产生振荡。因此,避免在传送高频率和敏感的信号路径上使用短截线。

3.9.4 树型信号线排列

虽然树型排列适用于多个PCB印制线路板的地线连接,但它带有能产生多个短截线的信号路径。因此,应该避免用树型排列高速和敏感的信号线。

3.9.5 辐射型信号线排列

辐射型信号排列通常有最短的路径,以及产生从源点到接收器的最小延迟,但是这也能产生多个反射和辐射干扰,所以应该避免用辐射型排列高速和敏感信号线。

3.9.6 不变的路径宽度

信号路径的宽度从驱动到负载应该是常数。改变路径宽度时路径阻抗(电阻,电感,和电容)会产生改变,从而产生反射和造成线路阻抗不平衡。所以最好保持路径宽度不变。

3.9.7 洞和过孔密集

经过电源和地层的过孔的密集会在接近过孔的地方产生局部化的阻抗差异。这个区域不仅成为信号活动的“热点”,而且供电面在这点是高阻,影响射频电流传递。

3.9.8 切分孔隙

与洞和过孔密集相同,电源层或地线层切分孔隙(即长洞或宽通道)会在电源层和地层范围内产生不一致的区域,就象绝缘层一样减少他们的效力,也局部性地增加了电源层和地层的阻抗。

3.9.9 接地金属化填充区

所有的金属化填充区应该被连接到地,否则,这些大的金属区域能充当辐射天线。

3.9.10 最小化环面积

保持信号路径和它的地返回线紧靠在一起将有助于最小化地环,因而,也避免了潜在的天线环。对于高速单端信号,有时如果信号路径没有沿着低阻的地层走,地线回路可能也必须沿着信号路径流动来布置。

3.10 其它布线策略

采用平走线可以减少导线电感,但导线之间的互感和分布电容增加,如果布局允许,电源线和地线最好采用井字形网状布线结构,具体做法是印制板的一面横向布线,另一面纵向布线,然后在交叉孔处用金属化孔相连。

为了抑制印制板导线之间的串扰,在设计布线时应尽量避免长距离的平走线,尽可能拉开线与线之间的距离,信号线与地线及电源线尽可能不交叉。在一些对干扰十分敏感的信号线之间设置一根接地的印制线,可以有效地抑制串扰。

3.10.1 为了避免高频信号通过印制导线时产生的电磁辐射,在印制线路板布线时,注意以下几点:

(1) 布线尽可能把同一输出电流而方向相反的信号利用平行布局方式来消除磁场干扰。

(2) 尽量减少印制导线的不连续性,例如导线宽度不要突变,导线的拐角应大于90禁止环状走线等。

(3) 时钟信号引线最容易产生电磁辐射干扰,走线时应与地线回路相靠近。

(4) 总线驱动器应紧挨其欲驱动的总线。对于那些离开印制线路板的引线,驱动器应紧紧挨着连接器。

(5) 由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的,因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比,与其宽度成反比,因而短而精的导线对抑制干扰是有利的。时钟引线、行驱动器或总线驱动器的信号线常常载有大的瞬变电流,印制导线要尽可能短。对于分立元件电路,印制导线宽度在1.5mm左右时,即可完全满足要求;对于集成电路,印制导线宽度可在0.21.0mm之间选择。

(6) 发热元件周围或大电流通过的引线尽量避免使用大面积铜箔,否则长时间受热时,易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时,最好用栅格状这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。

(7) 焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于(d+1.2) mm,其中d为引线孔径。对高密度的数字电路,焊盘最小直径可取(d+1.0)mm

3.10.2 印刷线路板的布线要注意以下问题:

(1) 专用零伏线,电源线的走线宽度≥1mm

(2) 电源线和地线尽可能靠近,以便使分布线电流达到均衡;

(3) 要为模拟电路专门提供一根零伏线;

(4) 为减少线间串扰,必要时可增加印刷线条间距离

(5) 意安插一些零伏线作为线间隔离;

(6) 印刷电路的插头也要多安排一些零伏线作为线间隔离;

(7) 特别注意电流流通中的导线环路尺寸;

(8) 如有可能在控制线(于印刷板上)的入口处加接R-C滤波器去耦,以便消除传输中可能出现的干扰因素。

3.11 PCB布线通用规则:

在设计印制线路板时,应注意以下几点:

(1) 从减小辐射骚扰的角度出发,应尽量选用多层板,内层分别作电源层、地线层,用以降低供电线路阻抗,抑制公共阻抗噪声,对信号线形成均匀的接地面,加大信号线和接地面间的分布电容,抑制其向空间辐射的能力。

(2) 电源线、地线、印制板走线对高频信号应保持低阻抗。在频率很高的情况下,电源线、地线、或印制板走线都会成为接收与发射骚扰的小天线。降低这种骚扰的方法除了加滤波电容外,更值得重视的是减小电源线、地线及其他印制板走线本身的高频阻抗。因此,各种印制板走线要短而粗,线条要均匀。

(3) 电源线、地线及印制导线在印制板上的排列要恰当,尽量做到短而直,以减小信号线与回线之间所形成的环路面积。

(4) 时钟发生器尽量靠近到用该时钟的器件。

(5) 石英晶体振荡器外壳要接地。

(6) 用地线将时钟区圈起来,时钟线尽量短。

(7) 印制板尽量使用45°折线而不用90°折线布线以减小高频信号对外的发射与耦合。

(8) 单面板和双面板用单点接电源和单点接地;电源线、地线尽量粗。

(9) I/O驱动电路尽量靠近印刷板边的接插件,让其尽快离开印刷板。

(10关键的线要尽量粗,并在两边加上保护地。高速线要短而直。

(11元件引脚尽量短,去耦电容引脚尽量短,去耦电容最好使用无引线的贴片电容。

(12A/D类器件,数字部分与模拟部分地线宁可统一也不要交叉。

(13时钟、总线、片选信号要远离I/O线和接插件。

(14模拟电压输入线、参考电压端要尽量远离数字电路信号线,特别是时钟。

(15时钟线垂直于I/O线比平行I/O线干扰小,时钟元件引脚需远离I/O电缆。

(16石英晶体下面以及对噪声敏感的器件下面不要走线。

(17弱信号电路,低频电路周围不要形成电流环路。

(18任何信号都不要形成环路,如不可避免,让环路区尽量小。

4PCB板的地线设计

在电子设备中,接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。

PCB板的地线设计中,接地技术既应用于多层PCB,也应用于单层PCB。接地技术的目标是最小化接地阻抗,从此减少从电路返回到电源之间的接地回路的电势。

(1) 正确选择单点接地与多点接地

在低频电路中,信号的工作频率小于1MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。当工作频率在1~10MHz时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的1/20,否则应采用多点接地法。高频电路宜采用多点串联接地,地线应短而,高频元件周围尽量布置栅格状大面积箔。

(2) 将数字电路与模拟电路分开

电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。

(3) 尽量加粗接地线

若接地线很细,接地电位则随电流的变化而变化,致使电子设备的定时信号电平不稳,抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗,使它能通过三于印制线路板的允许电流。如有可能,接地线的宽度应大于3mm

(4) 将接地线构成闭环路

设计只由数字电路组成的印制线路板的地线系统时,将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。其原因在于:印制线路板上有很多集成电路元件,尤其遇有耗电多的元件时,因受接地线粗细的限制,会在地结上产生较大的电位差,引起抗噪声能力下降,若将接地结构成环路,则会缩小电位差值,提高电子设备的抗噪声能力。

(5) 当采用多层线路板设计时,可将其中一层作为全地平面这样可减少接地阻抗,同时又起到屏蔽作用。我们常常在印制板周边布一圈宽的地线也是起着同样的作用。

(6) 单层PCB的接地线

在单层(单面)PCB中,接地线的宽度应尽可能的宽,且至少应为1.5mm(60mil)。由于在单层PCB上无法实现星形布线,因此跳线和地线宽度的改变应当保持为最低,否则将引起线路阻抗与电感的变化。

(7) 双层PCB的接地线

在双层(双面)PCB中,对于数字电路优先使用地线栅格/点阵布线,这种布线方式可以减少接地阻抗、接地回路和信号环路。像在单层PCB中那样,地线和电源线的宽度最少应为1.5mm

另外的一种布局是将接地层放在一边,信号和电源线放于另一边。在这种布置方式中将进一步减少接地回路和阻抗。此时,去耦电容可以放置在距离IC供电线和接地层之间尽可能近的地方。

(8PCB电容

在多层板上,由分离电源面和地面的绝缘薄层产生了PCB电容。在单层板上,电源线和地线的平行布放也将存在这种电容效应。PCB电容的一个优点是它具有非常高的频率响应和均匀的分布在整个面或整条线上的低串连电感,它等效于一个均匀分布在整个板上的去耦电容。没有任何一个单独的分立元件具有这个特性。

(9) 高速电路与低速电路

布放高速电路和元件时应使其更接近接地面,而低速电路和元件应使其接近电源面。

(10) 地的铜填充

在某些模拟电路中,没有用到的电路板区域是由一个大的接地面来覆盖,以此提供屏蔽和增加去耦能力。但是假如这片铜区是悬空的(比如它没有和地连接),那么它可能表现为一个天线,并将导致电磁兼容问题。

(11) 多层PCB中的接地面和电源面

在多层PCB中,推荐把电源面和接地面尽可能近的放置在相邻的层中,以便在整个板上产生一个大的PCB电容。速度最快的关键信号应当临近接地面的一边,非关键信号则布置靠近电源面。

(12) 电源要求

当电路需要不止一个电源供给时,采用接地将每个电源分离开。但是在单层PCB中多点接地是不可能的。一种解决方法是把从一个电源中引出的电源线和地线同其他的电源线和地线分隔开,这同样有助于避免电源之间的噪声耦合。


5.模拟数字混合线路板的设计

如何降低数字信号和模拟信号间的相互干扰呢?两个基本原则:第一个原则是尽可能减小电流环路的面积;第二个原则是系统只采用一个参考面。相反,如果系统存在两个参考面,就可能形成一个偶极天线(注:小型偶极天线的辐射大小与线的长度、流过的电流大小以及频率成正比);而如果信号不能通过尽可能小的环路返回,就可能形成一个大的环状天线(注:小型环状天线的辐射大小与环路面积、流过环路的电流大小以及频率的平方成正比)。在设计中要尽可能避免这两种情况。

有人建议将混合信号电路板上的数字地和模拟地分割开,这样能实现数字地和模拟地之间的隔离。尽管这种方法可行,但是存在很多潜在的问题,在复杂的大型系统中问题尤其突出。最关键的问题是不能跨越分割间隙布线,一旦跨越了分割间隙布线,电磁辐射和信号串扰都会急剧增加。在PCB设计中最常见的问题就是信号线跨越分割地或电源而产生EMI问题。

了解电流回流到地的路径和方式是优化混合信号电路板设计的关键。许多设计工程师仅仅考虑信号电流从哪儿流过,而忽略了电流的具体路径。如果必须对地线层进行分割,而且必须通过分割之间的间隙布线,可以先在被分割的地之间进行单点连接,形成两个地之间的连接桥,然后通过该连接桥布线。这样,在每一个信号线的下方都能够提供一个直接的电流回流路径,从而使形成的环路面积很小。

采用光隔离器件或变压器也能实现信号跨越分割间隙。对于前者,跨越分割间隙的是光信号;在采用变压器的情况下,跨越分割间隙的是磁场。还有一种可行的办法是采用差分信号:信号从一条线流入从另外一条信号线返回,这种情况下,不需要地作为回流路径。

在实际工作中一般倾向于使用统一地,将PCB分区为模拟部分和数字部分。模拟信号在电路板所有层的模拟区内布线,而数字信号在数字电路区内布线。在这种情况下,数字信号返回电流不会流入到模拟信号的地。只有将数字信号布线在电路板的模拟部分之上或者将模拟信号布线在电路板的数字部分之上时,才会出现数字信号对模拟信号的干扰。出现这种问题并不是因为没有分割地,真正原因是数字信号布线不适当。

在将A/D转换器的模拟地和数字地管脚连接在一起时,大多数的A/D转换器厂商会建议:将AGNDDGND管脚通过最短的引线连接到同一个低阻抗的地上。如果系统仅有一个A/D转换器,上面的问题就很容易解决。将地分割开,在A/D转换器下面把模拟地和数字地部分连接在一起。采取该方法时,必须保证两个地之间的连接桥宽度与IC等宽,并且任何信号线都不能跨越分割间隙。如果系统中A/D转换器较多,例如10A/D转换器怎样连接呢?如果在每一个A/D转换器的下面都将模拟地和数字地连接在一起,则产生多点相连,模拟地和数字地之间的隔离就毫无意义。而如果不这样连接,就违反了厂商的要求。

最好的办法是开始时就用统一地。将统一的地分为模拟部分和数字部分。这样的布局布线既满足了IC器件厂商对模拟地和数字地管脚低阻抗连接的要求,同时又不会形成环路天线或偶极天线而产生EMC问题。

混合信号PCB设计是一个复杂的过程,设计过程要注意以下几点:

(1) PCB分区为独立的模拟部分和数字部分。

(2) 合适的元器件布局。

(3) A/D转换器跨分区放置。

(4) 不要对地进行分割。在电路板的模拟部分和数字部分下面敷设统一地。

(5) 在电路板的所有层中,数字信号只能在电路板的数字部分布线模拟信号只能在电路板的模拟部分布线。

(6) 实现模拟和数字电源分割。

(7) 布线不能跨越分割电源面之间的间隙。

(8) 必须跨越分割电源之间间隙的信号线要位于紧邻大面积地的布线层上。

(9) 分析返回地电流实际流过的路径和方式。

(10) 采用正确的布线规则。

6PCB设计时的电路措施

我们在设计电子线路时,比较多考虑的是产品的实际性能,而不会太多考虑产品的电磁兼容特性和电磁骚扰的抑制及电磁抗干扰特性。用这样的电路原理图进行PCB的排板时为达到电磁兼容的目的,必须采取必要的电路措施,即在其电路原理图的基础上增加必要的附加电路,以提高其产品的电磁兼容性能。实际PCB设计中可采用以下电路措施:

(1) 可用在PCB走线上串接一个电阻的办法,降低控制信号线上下沿跳变速率。

(2) 尽量为继电器等提供某种形式的阻尼(高频电容、反向二极管等)。

(3) 对进入印制板的信号要加滤波,从高噪声区到低噪声区的信号也要加滤波,同时用串终端电阻的办法,减小信号反射。

(4) MCU无用端要通过相应的匹配电阻接电源或接地。或定义成输出端,集成电路上该接电源、地的端都要接,不要悬空。

(5) 闲置不用的门电路输入端不要悬空,而是通过相应的匹配电阻接电源或接地。闲置不用的运放正输入端接地,负输入端接输出端。

(6) 为每个集成电路设一个高频去耦电容。每个电解电容边上都要加一个小的高频旁路电容。

(7) 用大容量的钽电容或聚酯电容而不用电解电容作电路板上的充放电储能电容。使用管状电容时,外壳要接地。


7.结束语

印制线路板是电子产品最基本的部件,也是绝大部分电子元器件的载体。当一个产品的印制线路板设计完成后,可以说其核心电路的骚扰和抗扰特性就基本已经确定下来了,要想再提高其电磁兼容特性,就只能通过接口电路的滤波和外壳的屏蔽来“围追堵截”了,这样不但大大增加了产品的后续成本,也增加了产品的复杂程度,降低了产品的可靠性。可以说一个好的印制线路板可以解决大部分的电磁骚扰问题,只要同时在接口电路排板时增加适当瞬态抑制器件和滤波电路就可以同时解决大部分抗扰度问题。

印制线路板的电磁兼容设计是一个技巧性很强的工作,同时,也需要大量的经验积累。一个电磁兼容设计良好的印制板是一个完美的“工艺品”,是无法抄袭和照搬的。但这并不是说我们的印制线路板就不必考虑产品的电磁兼容性能,只有通过外围电路和外壳进行补救了。只要我们在PCB设计中能遵守本文所罗列的设计规则,也可以解决大部分的电磁兼容问题,再通过少量的外围瞬态抑制器件和滤波电路及适当的外壳屏蔽和正确的接地,就可以完成一个满足电磁兼容要求的产品。若我们注意平时的经验和技术的积累和总结,最终我们也可以成为PCB“工艺品”设计大师,设计出自己的PCB“工艺极品”。