高速PCB EMC設(shè)計（1）

【導(dǎo)讀】元件技術(shù)網(wǎng)博主原創(chuàng)文章，介紹了電磁兼容技術(shù)在高速印制布局、布線、接地中的應(yīng)用，并結(jié)合實(shí)際案例，重點(diǎn)介紹了高速印制中的I/O端、混合數(shù)/模、時鐘、電源、信號完整性等EMC設(shè)計。1．引言印制線路板（PCB）是產(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，是各種設(shè)備最基本的組成部分，它的性能直接關(guān)系到設(shè)備的質(zhì)量或可靠性。隨著技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備的運(yùn)行速度越來越快，其信號上升沿（或下降沿）在亞納秒范圍的數(shù)字電路也越來越普遍。與此同時，上的器件密度越來越大，走線越來越窄，不可避免地會引入電磁兼容（EMC）、EMI（電磁騷擾）、信號完整性（SI）、電源完整性（PI）問題。如果在新產(chǎn)品的研發(fā)過程中，急于求成，沿用原來低頻或低速的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品的穩(wěn)定性或可靠性可能很差，甚至很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的正常功能。一個拙劣的PCB布局、布線能導(dǎo)致很多的電磁兼容與信號完整性問題，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，不得不對整個板子重新布線。有關(guān)資料顯示，90%的電磁兼容問題是由于的布線和接地不當(dāng)造成的[1]，良好的PCB設(shè)計，既能夠提高設(shè)備的抗干擾性能，減小干擾發(fā)射，提高傳輸信號的完整性，并且不增加的生產(chǎn)成本。高速印制的電磁兼容設(shè)計的目的是使板上各部分電路之間沒有相互干擾，并使PCB對外的傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射盡可能降低，達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并確保高速信號有較好的信號完整性，以及獲得良好的電源完整性。因此，學(xué)習(xí)和運(yùn)用電磁兼容與信號完整性知識，對于高速印制設(shè)計來說，非常有意義。在高速印制的電磁兼容設(shè)計中，重點(diǎn)注意周期性時鐘信號、高速信號、混合數(shù)/模電路、高速信號線的信號完整性、供電電源的電源完整性設(shè)計，以及I/O端的接地與濾波設(shè)計。2．布局設(shè)計印制上元器件布局不當(dāng)是引發(fā)干擾的重要因素,所以應(yīng)全面考慮電路結(jié)構(gòu),合理布置板上元器件。首先根據(jù)元器件布置需要確定印制的大小和形狀。尺寸過大會使印制導(dǎo)線加長,增加阻抗,降低噪聲容限;尺寸過小不利于散熱,鄰近導(dǎo)線、器件易發(fā)生感應(yīng)。在板上布置元器件,原則上應(yīng)將輸入輸出部分，分別布置在板的兩極端;電路中相互關(guān)聯(lián)的元器件盡量靠近,以縮短元器件之間連接導(dǎo)線的距離;工作頻率接近或工作電平相差大的元器件應(yīng)相距遠(yuǎn)些,以免相互干擾，例如常用的以單片機(jī)為核心的小型開發(fā)系統(tǒng)電路,在設(shè)計和繪制印制圖時,宜將時鐘發(fā)生器、振蕩器等易產(chǎn)生噪聲的器件相互靠近布置,將有關(guān)邏輯電路部分盡量遠(yuǎn)離一些。同時,考慮印制在柜內(nèi)的安裝方式,最好將ROM、RAM、功率輸出器件及電源等易發(fā)熱元器件布置在板的邊緣或偏上方部位,以利于散熱。在板上布置邏輯電路,原則上應(yīng)在輸出端附近放置高速電路,例如光電隔離器等,稍遠(yuǎn)處放置低速電路和存儲器等,以便處理公共阻抗耦合、輻射和串?dāng)_等問題;在輸入輸出端放置緩沖器,用于板間信號傳送,可有效防止噪聲干擾。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，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。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。板上裝有高壓、大功率器件時,與低壓、小功率器件應(yīng)保持一定間距,盡量分開布線。在印制板布置高速、中速和低速邏輯電路時，應(yīng)按照下圖所示的方式排列元器件。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與信號完整性。元件在印刷線路板上排列的位置要充分考慮EMC與SI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，如上圖所示。時鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時鐘輸入端都易產(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，這一點(diǎn)十分重要。2.1 特殊元件放置注意原則（1）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。（2）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)試時手不易觸及的地方。（3）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)離大功率、大電流等發(fā)熱元件。2.2 功能分區(qū)（1）按照電路的流向安排各個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。（2）以每個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。2.3 PCB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：（1）低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。（2）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。（3）高、中、低速邏輯電路在PCB上要用不同區(qū)域。（4）使得信號線長度最小。（5）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。（6）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。（7）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。（8）盡可能靠近整流二極管放置調(diào)壓元件和濾波電容器。（9）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。（10）對噪聲敏感的布線不要與大電流，高速開關(guān)線平行。