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电路板级的电磁兼容设计:PCB布线技巧
日期:2007-02-01 14:48:25   作者:飞思卡尔半导体公司

除了元器件的选择和电路设计之外,良好的印制电路板(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。

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布线的专门规则。大多数PCB布线受限于板子的大小和铜板的层数。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,这些规则将作为普遍指导方针来对待。任何人都应记住一个拙劣的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。


1.PCB基本特性


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。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0.49m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C=EoErA/h,Eo是自由空间的介电常数(8.854pF/m),Er是PCB基体的相关介电常数(在FR4碾压中为4.7)。
• 电感:布线的电感平均分布在布线中,大约为1nH/m。对于1盎司铜线来说,在0.25mm (10mil)厚的FR4碾压情况下,位于地线层上方的0.5mm(20mil)宽,20mm (800mil)长的线能产生9.8m的阻抗,20nH的电感以及与地之间1.66pF的耦合电容。

将上述值与元器件的寄生效应相比,这些都是可以忽略不计的,但所有布线的总和可能会超出寄生效应。因此,设计者必须将这一点考虑进去。下面便是PCB布线的普遍方针:
• 增大走线的间距以减少电容耦合的串扰;
• 采用平行的布电源线和地线,使PCB电容达到最佳;
• 将敏感的高频线布在远离高噪声电源线的地方;
• 加宽电源线和地线以减少电源线和地线的阻抗。


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。


图1 分割功能块

图1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。L和C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量而要求放在电源入口处。接口电路可能会需要静电释放(ESD)和暂态抑制的器件或电路。对于L和C来说,最好使用不同的值,而不是用一个大的L和C,因为这样它便可以为不同的电路提供不同的滤波特性。


3.局部电源和IC间的去耦


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脉动滤波器的作用,同时作为一个电势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引脚。这将有助于滤除IC的开关噪声。


4.基准面的射频电流


不管是多层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互耦。因此返回通路应当尽可能的短,环路区域应当尽可能的小。


5.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。3W规范表明所有的信号(时钟、视频、音频、复位等等)都必须象图2所示那样,在线与线,边沿到边沿间予以隔离。为了进一步减小磁耦合,将基准地布放在关键信号附近以隔离其他信号线上产生的耦合噪声。


图2 线迹隔离


6.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。


图3 分流与保护线路

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。在图3中,PCB内的并联或者保护线路是沿着关键信号的线路布放。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被端接(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到地的通路。


7.接地技术


接地技术既可应用于多层PCB,也可应用于单层PCB。接地技术的目标是最小化接地阻抗,以此减少从电路返回到电源之间的接地回路的电势。

a) 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。

b) 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格栅/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,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,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。

c) 保护环
保护环是一种可以将充满噪声的环境(比如射频电流)隔离在环外的接地技术,这是因为在通常的操作中没有电流流过保护环。

d) PCB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导致这种电容效应。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联电感。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。

e) 高速电路与低速电路
布放高速电路时应使其更接近接地面,而低速电路应使其接近电源面。

f) 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。

g) 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,非关键信号则布放为靠近电源面。

h) 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。

进一步信息,请访问http://www.freescale.com.cn/download_center/count/mcu/EMC_AN2321.asp,或参照英文原文《Designing for Board Level Electromagnetic Compatibility》编号AN2321/D,具体链接为http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/app_note/AN2321.pdf

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