電路板級(jí)的電磁兼容設(shè)計(jì)

作者：時(shí)間：2011-10-08 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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  技術(shù)方案與實(shí)用技巧

加費(fèi)用。有一點(diǎn)需要注意，PCB布線沒(méi)有嚴(yán)格的規(guī)定，也沒(méi)有能覆蓋所有PCB布線的專門(mén)的規(guī)則。大多數(shù)PCB布線受限于板子的大小和銅板的層數(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，下面的章節(jié)對(duì)其進(jìn)行探討。這些規(guī)則將作為普遍指導(dǎo)方針來(lái)對(duì)待。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(wèn)題，而不是消除這些問(wèn)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(wèn)題。到最后，不得不對(duì)整個(gè)板子重新布線。因此，在開(kāi)始時(shí)養(yǎng)成良好的PCB布線習(xí)慣是最省錢(qián)的辦法。

1．PCB基本特性

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。在多層PCB中，設(shè)計(jì)者為了方便調(diào)試，會(huì)把信號(hào)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0.49m??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 碾壓中為4.7)

? 電感：布線的電感平均分布在布線中，大約為1nH/m。對(duì)于1盎司銅線來(lái)說(shuō)，在0.25mm (10mil)厚的FR4碾壓情況下，位于地線層上方的0.5mm (20mil)寬，20mm (800mil)長(zhǎng)的線能產(chǎn)生9.8m?的阻抗，20nH的電感以及與地之間1.66pF的耦合電容。將上述值與元器件的寄生效應(yīng)相比，這些都是可以忽略不計(jì)的，但所有布線的總和可能會(huì)超出寄生效應(yīng)。因此，設(shè)計(jì)者必須將這一點(diǎn)考慮進(jìn)去。

下面便是PCB布線的普遍方針：

? 增大走線的間距以減少電容耦合的串?dāng)_；

? 平行的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；

? 加寬電源線和地線以減少電源線和地線的阻抗。

2．分割

分割是指用物理上的分割來(lái)減少不同類型線之間的耦合，尤其是通過(guò)電源線和地線。

圖19給出了用分割技術(shù)將4個(gè)不同類型的電路分割開(kāi)的例子。在地線面，非金屬的溝用來(lái)隔離四個(gè)地線面。L和C作為板子上的每一部分的過(guò)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)功率需量而要求放在電源入口處。接口電路可能會(huì)需要靜電釋放（ESD）和暫態(tài)抑制的器件或電路。對(duì)于L和C來(lái)說(shuō)，最好使用不同值的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。

3．局部電源和IC間的去耦

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)低頻脈動(dòng)濾波器的作用，同時(shí)作為一個(gè)電勢(shì)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)該盡可能的接近引腳。這將有助于濾除IC的開(kāi)關(guān)噪聲。

4．基準(zhǔn)面的射頻電流

不管是對(duì)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(zhǎng)的返回通路將在彼此之間產(chǎn)生互耦。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。

5．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20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。

6．保護(hù)與分流線路

在時(shí)鐘電路中，局部去耦電容對(duì)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(hào)將在電路的其他地方引起問(wèn)題。

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(kāi)來(lái)。

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。

7．接地技術(shù)

接地技術(shù)既應(yīng)用于多層PCB，也應(yīng)用于單層PCB。接地技術(shù)的目標(biāo)是最小化接地阻抗，以此減少?gòu)碾娐贩祷氐诫娫粗g的接地回路的電勢(shì)。

a) 單層PCB的接地線

在單層（單面）PCB中，接地線的寬度應(yīng)盡可能的寬，且至少應(yīng)為1.5mm(60mil)。由于在單層PCB上無(wú)法實(shí)現(xiàn)星形布線，因此跳線和地線寬度的改變應(yīng)當(dāng)保持為最低的，否則將引起線路阻抗與電感的變化。

b) 雙層PCB的接地線

在雙層（雙面）PCB中，對(duì)于數(shù)字電路優(yōu)先使用地格柵/點(diǎn)陣布線，這種布線方式可以減少接地阻抗，接地回路和信號(hào)環(huán)路。像在單層PCB中，地線和電源線的寬度最少應(yīng)為1.5mm。

另外的一種布局是將接地層放在一邊，信號(hào)和電源線放于另一邊。在這種布置方式中將進(jìn)一步減少接地回路和阻抗，去耦電容可以放置在距離IC供電線和接地層之間盡可能近的地方。

c) 保護(hù)環(huán)

保護(hù)環(huán)是一種可以將充滿噪聲的環(huán)境（比如射頻電流）隔離在環(huán)外的接地技術(shù)，這是因?yàn)樵谕ǔ５牟僮髦袥](méi)有電流流過(guò)保護(hù)環(huán)（參見(jiàn)圖22）。

d) PCB電容

在多層板上，由分離電源面和地面的絕緣薄層產(chǎn)生了PCB電容。在單層板上，電源線和地線的平行布放也將導(dǎo)致這種電容效應(yīng)。PCB電容的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它具有非常高的頻率響應(yīng)和均勻的分布在整個(gè)面或整條線上的低串連電感。它等效于一個(gè)均勻分布在整個(gè)板上的去耦電容。沒(méi)有任何一個(gè)單獨(dú)的分立元件具有這個(gè)特性。

e) 高速電路與低速電路

布放高速電路時(shí)應(yīng)使其更接近接地面，而低速電路應(yīng)使其接近電源面。

f) 地的銅填充

在某些模擬電路中，沒(méi)有用到的電路板區(qū)域是由一個(gè)大的接地面來(lái)覆蓋，以此提供屏蔽和增加去耦能力。但是假如這片銅區(qū)是懸空的（比如它沒(méi)有和地連接），那么它可能表現(xiàn)為一個(gè)天線，并將導(dǎo)致電磁兼容問(wèn)題。

g) 多層PCB中的接地面和電源面

在多層PCB中，推薦把電源面和接地面盡可能近的放置在相鄰的層中，以便在整個(gè)板上產(chǎn)生一個(gè)大的PCB電容。速度最快的關(guān)鍵信號(hào)應(yīng)當(dāng)臨近接地面的一邊，非關(guān)鍵信號(hào)則布放為靠近電源面。圖23給出了一個(gè)典型的多層板的布線。