印制線路板PCB級的電磁兼容設(shè)計(jì)

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說明：本資料適用于約定雙方經(jīng)過談判，協(xié)商而共同承認(rèn)，共同遵守的責(zé)任與義務(wù)，僅供參考，文檔可直接下載或修改，不需要的部分可直接刪除，使用時(shí)請?jiān)敿?xì)閱讀內(nèi)容線路板（PCB）級的電磁兼容設(shè)計(jì)引言印制線路板（PCB）是電子產(chǎn)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(shè)備最基本的組成部分，它的性能直接關(guān)系到電子設(shè)備質(zhì)量的好壞。隨著信息化社會(huì)的發(fā)展，各種電子產(chǎn)品經(jīng)常在一起工作，它們之間的干擾越來越嚴(yán)重，所以，電磁兼容問題也就成為一個(gè)電子系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。同樣，隨著電于技術(shù)的發(fā)展，PCB的密度越來越高，PCB設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)之外，良好的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。但是，在印制線路板設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(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。有一點(diǎn)需要注意，PCB布線沒有嚴(yán)格的規(guī)定，也沒有能覆蓋所有PCB布線的專門的規(guī)則。大多數(shù)PCB布線受限于線路板的大小和覆銅板的層數(shù)。一些布線技術(shù)可以應(yīng)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(jīng)驗(yàn)。然而還是有一些普遍的規(guī)則存在，下面將對其進(jìn)行探討。為了設(shè)計(jì)質(zhì)量好、造價(jià)低的PCB，應(yīng)遵循以下一般原則：圖1：印制板元器件布置圖PCB上元器件布局首先，要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過大時(shí)，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(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進(jìn)行布局。電子設(shè)備中數(shù)字電路、模擬電路以及電源電路的元件布局和布線其特點(diǎn)各不相同，它們產(chǎn)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(shí)，應(yīng)該將數(shù)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(yīng)使之各自隔離或單獨(dú)做成一塊電路板。此外，布局中還應(yīng)特別注意強(qiáng)、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(shí)，應(yīng)按照圖1一①的方式排列元器件。在元器件布置方面與其它邏輯電路一樣，應(yīng)把相互有關(guān)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(shù)字電路部分，噪聲源部分(如繼電器，大電流開關(guān)等)這三部分合理地分開，使相互間的信號耦合為最小。如圖1一②所示。時(shí)鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時(shí)鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲，要相互靠近些。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應(yīng)盡量遠(yuǎn)離邏輯電路。如有可能，應(yīng)另做電路板，這一點(diǎn)十分重要。2.1在確定特殊元件的位置時(shí)要遵守以下原則：盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)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(yīng)盡量遠(yuǎn)離。某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應(yīng)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(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方。重量超過15g的元器件、應(yīng)當(dāng)用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發(fā)熱量多的元器件，不宜裝在印制板上，而應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上，且應(yīng)考慮散熱問題。熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。對于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動(dòng)開關(guān)等可調(diào)元件的布局應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求。若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié)，應(yīng)放在印制板上方便于調(diào)節(jié)的地方；若是機(jī)外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱面板上的位置相適應(yīng)。應(yīng)留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。2.2根據(jù)電路的功能單元對電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：按照電路的流程安排各個(gè)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。以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)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(chǎn)。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3:2或4:3。電路板面尺寸大于200x150mm時(shí).應(yīng)考慮電路板所受的機(jī)械強(qiáng)度。2.3PCB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：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(chǎn)生瞬態(tài)過程的電路。將低電平的模擬電路和數(shù)字電路分開，避免模擬電路、數(shù)字電路和電源公共回線產(chǎn)生公共阻抗耦合。高、中、低速邏輯電路在PCB上要用不同區(qū)域。安排電路時(shí)要使得信號線長度最小。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。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。DC/DC變換器、開關(guān)元件和整流器應(yīng)盡可能靠近變壓器放置，以使其導(dǎo)線長度最小。盡可能靠近整流二極管放置調(diào)壓元件和濾波電容器。印制板按頻率和電流開關(guān)特性分區(qū)，噪聲元件與非噪聲元件要距離再遠(yuǎn)一些。對噪聲敏感的布線不要與大電流，高速開關(guān)線平行。PCB布線3.1印刷線路板與元器件的高頻特性：一個(gè)PCB的構(gòu)成是在垂直疊層上使用了一系列的層壓、走線和預(yù)浸處理的多層結(jié)構(gòu)。在多層PCB中，設(shè)計(jì)者為了方便調(diào)試，會(huì)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0.49mQ/單位面積的阻抗。電容：布線的電容是由絕緣體(EoEr)電流到達(dá)的范圍(A)以及走線間距(h)決定的。用等式表達(dá)為C=EoErA/h，Eo是自由空間的介電常數(shù)(8.854pF/m)，Er是PCB基體的相關(guān)介電常數(shù)(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0.25mm(10mil)厚的FR4碾壓板上，位于地線層上方的0.5mm(20mil)寬、20mm(800mil)長的線能產(chǎn)生9.8mQ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(huì)產(chǎn)生對高頻信號的反射和吸收。走線的分布電容也會(huì)起作用。當(dāng)走線長度大于噪聲頻率相應(yīng)波長的1/20時(shí)，就產(chǎn)生天線效應(yīng)，噪聲通過走線向外發(fā)射。印刷線路板的過孔大約引起0.5pF的電容。一個(gè)集成電路本身的封裝材料引入2~6pF電容。一個(gè)線路板上的接插件，有520nH的分布電感。一個(gè)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(shù)對于運(yùn)行在較低頻率下的微控制器系統(tǒng)是可以忽略不計(jì)的；而對于高速系統(tǒng)必須予以特別注意。下面便是避免PCB布線分布參數(shù)影響而應(yīng)該遵循的一般要求：增大走線的間距以減少電容耦合的串?dāng)_；平行地布電源線和地線以使PCB電容達(dá)到最佳；將敏感的高頻線布在遠(yuǎn)離高噪聲電源線的地方以減少相互之間的耦合；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。圖2給出了用分割技術(shù)將4個(gè)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(gè)地線面。L和C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(shù)字電路由于其更高的瞬時(shí)功率需求而要求放在靠近電源入口處。接口電路可能會(huì)需要抗靜電放電(ESD)和暫態(tài)抑制的器件或電路來提高其電磁抗擾性，應(yīng)獨(dú)立分割區(qū)域。對于L和C來說，最好不同分割區(qū)域使用各自的L和C，而不是用一個(gè)大的L和C，因?yàn)檫@樣它便可以為不同的電路提供不同的濾波特性。圖2：PCB地線分割3.3基準(zhǔn)面的射頻電流抑制：不管是對多層PCB的基準(zhǔn)接地層還是單層PCB的地線，電流的路徑總是從負(fù)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(dòng)在負(fù)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(chǎn)生射頻耦合，因此返回通路應(yīng)當(dāng)盡可能的短，環(huán)路區(qū)域應(yīng)當(dāng)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(nèi)相鄰線路之間的串?dāng)_和噪聲耦合最小化。所有的信號（時(shí)鐘，視頻，音頻，復(fù)位等等）在線與線、邊沿到邊沿間應(yīng)在空間上遠(yuǎn)離。為了進(jìn)一步的減小電磁耦合，將基準(zhǔn)地布放在關(guān)鍵信號附近或之間以隔離其他信號線上產(chǎn)生的或信號線相互之間產(chǎn)生的耦合噪聲。3.5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。3.6抑制反射干擾與終端匹配：圖4：時(shí)鐘信號的匹配圖3：常用終端匹配方法為了抑制出現(xiàn)在印制線終端的反射干擾，除了特殊需要之外，應(yīng)盡可能縮短印制線的長度和采用慢速電路。必要時(shí)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(jù)經(jīng)驗(yàn)，對一般速度較快的TTL電路，其印制線條長于10cm以上時(shí)就應(yīng)采用終端匹配措施。匹配電阻的阻值應(yīng)根據(jù)集成電路的輸出驅(qū)動(dòng)電流及吸收電流的最大值來決定。時(shí)鐘信號較多采用串聯(lián)匹配，見圖4所示。3.7保護(hù)與分流線路：在時(shí)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(shí)鐘線同樣需要保護(hù)以免受其他電磁干擾源的干擾，否則，受擾時(shí)鐘信號將在電路的其他地方引起問題。設(shè)置分流和保護(hù)線路是對關(guān)鍵信號（比如：對在一個(gè)充滿噪聲的環(huán)境中的系統(tǒng)時(shí)鐘信號）進(jìn)行隔離和保護(hù)的非常有效的方法。PCB內(nèi)的分流或者保護(hù)線路是沿著關(guān)鍵信號的線路兩邊布放隔離保護(hù)線。保護(hù)線路不僅隔離了由其他信號線上產(chǎn)生的耦合磁通，而且也將關(guān)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(hù)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(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。3.8局部電源和IC間的去耦：在直流電源回路中，負(fù)載的變化會(huì)引起電源噪聲。例如在數(shù)字電路中，當(dāng)電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時(shí)，就會(huì)在電源線上產(chǎn)生一個(gè)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(gè)低頻騷擾濾波器的作用，同時(shí)作為一個(gè)電能貯存器以滿足突發(fā)的功率需求。此外，在每個(gè)IC的電源和地之間都應(yīng)當(dāng)有去耦電容，這些去耦電容應(yīng)該盡可能的接近IC引腳，這將有助于濾除IC的開關(guān)噪聲。配置去耦電容可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲，是印制線路板的可靠性設(shè)計(jì)的一種常規(guī)做法，配置原則如下：電源輸入端跨接10~100M的電解電容器。如有可能，接100M以上的更好。原則上每個(gè)集成電路芯片都應(yīng)布置一個(gè)0.01UF的瓷片電容，如遇印制板空隙不夠，可每4~8個(gè)芯片布置一個(gè)1?10^F的鉭電容。這種器件的高頻阻抗特別小，在500kHz?20MHz范圍內(nèi)阻抗小于1Q，而且漏電流很小(0.5UA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(jié)構(gòu)在高頻時(shí)表現(xiàn)為電感。對于抗噪能力弱、關(guān)斷時(shí)電源變化大的器件，如RAM、ROM存儲器件，應(yīng)在芯片的電源線和地線之間直接接入高頻退耦電容。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(yán)格，可按C=1/f計(jì)算：即10MHz取0.1UF。對微控制器構(gòu)成的系統(tǒng)，取0.1?0.01UF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(yīng)注意以下兩點(diǎn)：在印制板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時(shí).操作它們時(shí)均會(huì)產(chǎn)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R取1?2kQ,C取2.2~4.7uFoCMOS的輸入阻抗很高，且易受感應(yīng)，因此在使用時(shí)對不用端要通過電阻接地或接正電源。圖5：拐角設(shè)計(jì)3.9布線技術(shù)：3.9.1過孔過孔一般被使用在多層印制線路板中。當(dāng)是高速信號時(shí)，過孔產(chǎn)生1到4nH的電感和0.3到0.5pF的電容。因此，當(dāng)鋪設(shè)高速信號通道時(shí)，過孔應(yīng)該被保持絕對的最少。對于高速的并行線(如地址和數(shù)據(jù)線)，如果層的改變是不可避免，應(yīng)該確保每根信號線的過孔數(shù)一樣。45度角的路徑圖6：短截線與過孔相似，直角的轉(zhuǎn)彎路徑應(yīng)該被避免，因?yàn)樗趦?nèi)部的邊緣能產(chǎn)生集中的電場。該場能耦合較強(qiáng)噪聲到相鄰路徑，因此，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)路徑時(shí)全部的直角路徑應(yīng)該采用45度。圖5是45度路徑的一般規(guī)則。短截線如圖6所示短截線會(huì)產(chǎn)生反射，同時(shí)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(tǒng)已知信號波長的四分之一整數(shù)，但是附帶的輻射可