針對 EMI 設(shè)計(jì) PCB，第 3 部分：分區(qū)和布線

本系列的第 1 部分介紹了數(shù)字信號如何通過 PC 板傳播，第 2 部分介紹了實(shí)現(xiàn)低 EMI 的特定板層疊設(shè)計(jì)。第 3 部分將討論電路部分的分區(qū)、高速走線的布線以及其他一些有助于降低 EMI 的布局實(shí)踐。

除了正確的層堆疊之外，在電路板上布局電路時(shí)，下一個(gè)最重要的考慮因素是電路功能的劃分，例如數(shù)字、模擬、功率轉(zhuǎn)換、射頻以及電機(jī)控制或其他高功率電路等。

在進(jìn)行電路布局之前，我們必須首先了解并可視化高速電路走線下返回電流如何流動(dòng)以及電磁場如何分布。在低頻(大約低于 50 kHz)下，返回電流往往遵循最低電阻的路徑。它們傾向于沿著源和負(fù)載之間的最短距離行進(jìn)，如圖 1中的綠色區(qū)域模擬的那樣。

圖 1低于 50 kHz 的返回電流場分布遵循電阻最小的路徑。

在大約 50 kHz 至 100 kHz 范圍內(nèi)，由于信號路徑之間的互阻抗耦合效應(yīng)，返回電流傾向于遵循最低阻抗的路徑。這些電流往往直接在源和負(fù)載之間的信號路徑下方流動(dòng)，如圖2中的綠色區(qū)域所模擬。

圖 2頻率高于 50 kHz 時(shí)的返回電流場分布，將通過阻抗最小的路徑返回源。

您現(xiàn)在可以理解為什么模擬電路應(yīng)遠(yuǎn)離數(shù)字或其他噪聲電路。防止這些“分散”的返回電流與噪聲電路的返回電流混合。這就是分區(qū)如此重要的主要原因。

本系列的分區(qū)

第 1 部分描述了數(shù)字(和其他高頻)信號如何通過電路板的電介質(zhì)空間傳播。為了避免信號耦合和串?dāng)_，不得允許不同的返回信號在同一電介質(zhì)空間內(nèi)混合。因此，需要對主要電路功能進(jìn)行分區(qū)。圖 3演示了一個(gè)分區(qū)示例。當(dāng)然，隨著電路板尺寸的縮小，這變得更具挑戰(zhàn)性。

圖 3如何在電路板上劃分電路功能的示例。

現(xiàn)在知道低頻信號返回往往會(huì)更加分散，我們可以看到任何模擬或低頻電路都必須與數(shù)字、功率轉(zhuǎn)換或電機(jī)控制器電路分開。同樣，敏感的射頻接收器電路(例如 GPS、蜂窩或 Wi-Fi 設(shè)備)也必須與數(shù)字、電源轉(zhuǎn)換或電機(jī)控制器電路分開。

信號布線

以下是在 PCB 上布線信號時(shí)應(yīng)遵循的一些準(zhǔn)則，以最大程度地減少干擾。

返回平面中的間隙：所有接地返回平面 (GRP) 應(yīng)盡可能堅(jiān)固，并且設(shè)計(jì)時(shí)不得有長間隙或槽。如第 1 部分中所述，當(dāng)高頻走線穿過返回路徑中的間隙時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共模電流源，該電流通常會(huì)在整個(gè)電路板上耦合并產(chǎn)生潛在的輻射發(fā)射故障。

圖4這個(gè)例子有兩個(gè)問題;我們有一個(gè)數(shù)字信號穿過 GRP 中的兩個(gè)間隙，它還穿過一個(gè)“安靜”的模擬平面。

這些共模電流耦合到電源和 I/O 電纜，然后輻射。但間隙也會(huì)導(dǎo)致介電空間內(nèi)的場泄漏，這可能會(huì)從其他信號耦合到附近的過孔，從而導(dǎo)致類似于串?dāng)_的不必要的耦合。它還會(huì)直接從電路板引起“邊緣輻射”。如果共模電流的諧波頻率是電纜或電路板尺寸的 1/4 至 1/2 波長，它們將充當(dāng)發(fā)射天線并輻射。

過孔穿透：通常，您需要將信號從頂部傳輸?shù)降撞?或內(nèi)部層到內(nèi)部層)，依靠過孔到達(dá)那里。如果您只需從 GRP 的一側(cè)傳遞到另一側(cè)，則沒有問題，因?yàn)樾盘柕碾姶艌霭谡麄€(gè)路徑中(圖 5)。

圖 5將信號跡線穿過單個(gè) GRP 允許沿整個(gè)路徑進(jìn)行場傳播。為了清楚起見，未顯示介電層，場傳播由紅色“波”表示。

只有當(dāng)您需要穿過多個(gè)平面時(shí)，您可能無法在電磁波穿過電路板的介電空間時(shí)為其提供返回路徑(圖 6)。

圖 6使信號走線穿過兩個(gè)平面會(huì)導(dǎo)致介電空間內(nèi)的場泄漏，除非添加定義的返回電流路徑。為了清楚起見，未顯示介電層，場傳播由紅色“波”表示。

如果平面之間沒有傳輸線連續(xù)性(縫合通孔或電容器)，那么當(dāng)信號試圖找到返回源的路徑時(shí)，整個(gè)電介質(zhì)空間都會(huì)出現(xiàn)場泄漏。該場能量將耦合到其他通孔，并作為“邊緣輻射”傳播出去。

如果這兩個(gè)平面是 GRP，那么您只需在信號過孔附近的至少一處位置將它們縫合在一起即可。這允許場沿著整個(gè)路徑傳播。正如我稍后將提到的，接地過孔矩陣始終是一種良好的做法，如果它們的位置非常接近(5 毫米間距即可)，則無需在每個(gè)穿透處專門定位一個(gè)。

然而，如果兩個(gè)平面處于不同的電位，例如 GRP 和電源，則需要在信號過孔旁邊安裝拼接電容器。如果這樣的電路板上有數(shù)十個(gè)信號穿透，則為每個(gè)信號穿透添加縫合電容器可能是不切實(shí)際的，因此這是在整個(gè)電路板上均勻分布去耦/縫合電容器的原因之一。這也將有助于減少“地彈”或同時(shí)開關(guān)噪聲 (SSN)。

路由電源與電源層：傳統(tǒng)方法是從一個(gè)或多個(gè)(取決于層數(shù))電源接地“核心”開始，并從那里構(gòu)建信號層，通常在核心的每一側(cè)平等地構(gòu)建信號層，以獲得最佳的可制造性。通常，為此使用數(shù)字接地回路。另一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)間距非常接近(小于 3 密耳)時(shí)，電源地磁芯將成為良好的高頻去耦電容器。隨著層數(shù)的增加，通常最好將兩個(gè)或多個(gè)電源接地核心放置在更靠近堆疊頂部和底部的位置 - 通常位于第 2-3 層和第 6-7 層(例如，在八層板上) )。

缺點(diǎn)是需要縫合(或去耦)電容器來維持信號通過的傳輸線。其他電壓軌通常在信號層上布線。

路由所有電源并使用一個(gè)或多個(gè) GRP 有一大優(yōu)勢。也就是說，所有 GRP 都可以以矩陣形式縫合在一起，并且不需要專用的縫合電容器。當(dāng)多個(gè) GRP 位于外層時(shí)，可以圍繞板的周邊縫合在一起以形成法拉第屏蔽。

另一方面，每個(gè)數(shù)字設(shè)備的每個(gè)電源引腳或緊密的引腳分組都需要 2-3 個(gè)去耦電容器。此外，電源軌(通常是主要數(shù)字電壓)應(yīng)該在任何高di / dt設(shè)備周圍有更廣泛的覆蓋，例如核心電壓、驅(qū)動(dòng)器、ASIC、電機(jī)控制器、處理器等。這將有助于充當(dāng)高頻去耦。

路由三元組：在您可能沒有連續(xù) GRP 的情況下，例如某些兩層板設(shè)計(jì)，模擬和數(shù)字走線都可以作為“三元組”路由，其中一條返回走線與兩條信號走線一起定位和路由。

接地澆注：用接地澆注填充信號走線之間的任何空間始終是一個(gè)好習(xí)慣。這些接地澆注必須在多個(gè)位置連接到電路板內(nèi)的所有 GRP。這有兩件事;它提供了額外的屏蔽以及信號返回路徑，從生產(chǎn)的角度來看，它可以實(shí)現(xiàn)更好、更可靠的電路板設(shè)計(jì)。

多個(gè)接地過孔：最好創(chuàng)建一個(gè)接地過孔矩陣，使用大約 5 毫米的間距將所有接地澆注和 GRP 連接在一起。這將為穿透多個(gè) GRP 層的信號提供多個(gè)返回路徑。此外，如果您使用多個(gè) GRP，則應(yīng)通過縫合電路板外圍進(jìn)行設(shè)計(jì)，為中間的信號層創(chuàng)建法拉第籠。在設(shè)計(jì)中融入無線技術(shù)時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)尤其重要。

最小化 EMI 的其他指南

時(shí)鐘振蕩器/晶體/驅(qū)動(dòng)器：將時(shí)鐘振蕩器放置在靠近電路板(或數(shù)字分區(qū))中心的位置，盡可能靠近它們所驅(qū)動(dòng)的設(shè)備，并遠(yuǎn)離電路板邊緣，尤其是 I/O 或電源連接器。

時(shí)鐘走線：所有時(shí)鐘走線都應(yīng)該短且直接。避免沿著電路板邊緣運(yùn)行它們，因?yàn)檫@可能會(huì)物理耦合到電路板邊緣并導(dǎo)致電路板諧振和隨之而來的電路板輻射。

I/O 和電源連接器：如果可能，請將 I/O 和電源連接器沿板的單個(gè)邊緣放置。一個(gè)連接器與另一個(gè)連接器的位置越遠(yuǎn)，在它們的連接器主體之間測量到的與 EMI 相關(guān)的噪聲電壓就越多。兩根長電線之間的高頻噪聲源是什么?偶極天線!您希望最大限度地減少所有連接器之間的“噪聲”壓降。

RF 模塊傳輸線：所有天線傳輸線應(yīng)較短并直接連接到天線或天線端口連接器。這些應(yīng)埋在兩個(gè) GRP 之間，并可能規(guī)定八個(gè)或更多層，以通過傳輸線上方和下方層中的“排除”區(qū)域來實(shí)現(xiàn) 50Ω 阻抗。此外，添加幾行通過縫合，每隔 3 毫米到 5 毫米間隔，連接每條天線傳輸線每一側(cè)的所有 GRP。這將提供額外的屏蔽。

以太網(wǎng)連接器：以太網(wǎng)連接器正下方應(yīng)該有一個(gè)接地返回平面“禁止”區(qū)域。這將有助于從單端信號對過渡到平衡信號對。

都市傳說

90 度轉(zhuǎn)彎：已經(jīng)充分證明，對于正常(至少達(dá)到幾 GHz)數(shù)字走線，無需倒角或圓角。在需要的地方進(jìn)行 90 度彎曲就可以了(參考文獻(xiàn) 6、7 和 8)。

20H 規(guī)則：還有所謂的“20H 規(guī)則”，即電源層應(yīng)從 GRP 邊緣向后退 20 倍層厚。據(jù)說這有助于減少邊緣場。如果不出意外的話，它只會(huì)使磁力線變長。

我懷疑還有更多，也許讀者可以通過他們的評論添加到列表中。

我的許多客戶都錯(cuò)誤地設(shè)計(jì)了電路板，通常是從層疊開始，我覺得有必要轉(zhuǎn)述我在過去三年的深入研究中學(xué)到的東西。我最近有幸參與的大多數(shù)項(xiàng)目都是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，從一開始就對電路板進(jìn)行正確的分區(qū)和設(shè)計(jì)對于成功非常重要——不僅可以降低 EMI，還可以提高正確的接收靈敏度。機(jī)載無線技術(shù)。