PCB布線在電磁兼容性設計中的影響
發布時間:2013-03-05 責任編輯:Lynnjiao
【導讀】隨(sui)著(zhe)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan),各(ge)種(zhong)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)經(jing)常(chang)在(zai)一(yi)起(qi)工(gong)作(zuo),它(ta)們(men)之(zhi)間(jian)的(de)幹(gan)擾(rao)越(yue)來(lai)越(yue)嚴(yan)重(zhong),所(suo)以(yi)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)問(wen)題(ti)成(cheng)為(wei)一(yi)個(ge)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)能(neng)否(fou)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)的(de)關(guan)鍵(jian)。同(tong)樣(yang),隨(sui)著(zhe)PCB的密度越來越高,PCB設計的好壞對電路的幹擾及抗幹擾能力影響很大。
要使電子電路獲得最佳性能,除了元器件的選擇和電路設計之外,良好的PCB布線在電磁兼容性中也是一個非常重要的因素。
隨著高速DSP技術的廣泛應用,相應的高速DSP的PCB設計就顯得十分重要。由於DSP是一個相當複雜、種類繁多並有許多分係統的數、模混合係統,所以來自外部的電磁輻射以及內部元器件之間、分係統之間和各傳輸通道間的串擾對DSP及其數據信息所產生的幹擾,已嚴重地威脅著其工作的穩定性、可靠性和安全性。據統計,幹擾引起的DSP事故占其總事故的90%左右。因此設計一個穩定、可靠的DSP係統,電磁兼容和抗幹擾至關重要。
DSP的電磁幹擾環境
電磁幹擾的基本模型由電磁幹擾源、耦合路徑和接收機3部分組成,如圖1所示。

圖1:電磁幹擾的基本模型
電磁幹擾源包含微處理器、微控製器、靜電放電、瞬時功率執行元件等。隨著大量高速半導體器件的應用,其邊沿跳變速率非常快,這種電路可以產生高達300 MHz的諧波幹擾。耦合路徑可以分為空間輻射電磁波和導線chuandaodedianyayudianliu。zaoshengbeiouhedaodianluzhongdezuijiandanfangshishitongguodaotidechuandi,liru,youyitiaodaoxianzaiyigeyouzaoshengdehuanjingzhongjingguo,zhetiaodaoxiantongguoganyingjieshouzhegezaoshengbingqiejiangqichuandidaodianludeqitabufen,suoyoudedianzidianludoukeyijieshouchuansongdedianciganrao。liru,zaishuzidianluzhong,linjiexinhaozuirongyishoudaodianciganraodeyingxiang;模擬的低級放大器、控製電路和電源調整電路也容易受到噪聲的影響。
DSP電路板的布線和設計
良(liang)好(hao)的(de)電(dian)路(lu)板(ban)布(bu)線(xian)在(zai)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)性(xing)中(zhong)是(shi)一(yi)個(ge)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)因(yin)素(su),一(yi)個(ge)拙(zhuo)劣(lie)的(de)電(dian)路(lu)板(ban)布(bu)線(xian)和(he)設(she)計(ji)會(hui)產(chan)生(sheng)很(hen)多(duo)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)問(wen)題(ti),即(ji)使(shi)加(jia)上(shang)濾(lv)波(bo)器(qi)和(he)其(qi)他(ta)元(yuan)器(qi)件(jian)也(ye)不(bu)能(neng)解(jie)決(jue)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)。
正確的電路布線和設計應該達到如下3點要求:
(1)電路板上的各部分電路之間存在幹擾,電路仍能正常工作;
(2)電路板對外的傳導發射和輻射發射盡可能低,達到有關標準要求;
(3)外部的傳導幹擾和輻射幹擾對電路板上的電路沒有影響。
元器件的布置
(1)元器件布置的首要問題是對元器件進行分組。元器件的分組原則有:按電壓不同分;按數字電路和模擬電路分;按高速和低速信號分和按電流大小分。一般情況下都按照電壓不同分或按數字電路與模擬電路分。
(2)所有的連接器都放在電路板的一側,盡量避免從兩側引出電纜。
(3)避免讓高速信號線靠近連接器。
(4)在元器件安排時應考慮盡可能縮短高速信號線,如時鍾線、數據線和地址線等。
地線和電源線的布置
dixianbuzhidezuizhongmudeshiweilezuixiaohuajiedizukang,yicijianxiaocongdianlufanhuidaodianyuanzhijiandejiedihuiludianshi,jijianxiaodianlucongyuanduandaomudeduanxianluhedicengxingchengdehuanlumianji。tongchangzengjiahuanlumianjishiyouyudicenggefengyinqide。ruguodicengshangyoufengxi,gaosuxinhaoxiandehuiliuxianjiubeipoyaoraoguogefeng,congerzengdalegaopinhuanludemianji,rutu2所示。

圖2:高速信號線環路
圖2中高速線與芯片之間進行信號傳輸。圖2(a)中沒有地層隔縫,根據“電流總是走阻抗最小的途徑”,此時環路麵積最小。圖2(b)中,有地層隔縫,此時地環路麵積增大,這樣就產生如下後果:
(1)增大向空間的輻射幹擾,同時易受空間磁場的影響;
(2)加大與板上其他電路產生磁場耦合的可能性;
(3)由於環路電感加大,通過高速線輸出的信號容易產生振蕩;
(4)環路電感上的高頻壓降構成共模輻射源,並通過外接電纜產生共模輻射。
通常地層上的隔縫不是在分地時、有意識地加上的,有時隔縫是因為板上的過孔過於接近而產生的,因此在PCB設計中應盡量避免該種情況發生。
dianyuanxiandebuzhiyaohedixianjieheqilaikaolv,yibiangouchengtexingzukangjinkenengxiaodegongdianxianlu。weilejianxiaogongdianyongxiandetexingzukang,dianyuanxianhedixianyinggaijinkenengdecu,bingqiexianghukaojin,shigongdianhuilumianjijiandaozuixiao,erqiebutongdegongdianhuanlubuyaoxianghuzhongdie。zaijichengxinpiandedianyuanjiaohedijiaozhijianyaojiagaopinquoudianrong,rongliangweiO.01~O.1μF,而且為了進一步提高電源的去耦濾波的低頻特性,在電源引入端要加上1個高頻去耦電容和1個1~10μF的低頻濾波電容。
在多層電路板中,電源層和地層要放置在相鄰的層中,從而在整個電路板上產生一個大的PCB電dian容rong消xiao除chu噪zao聲sheng。速su度du最zui快kuai的de關guan鍵jian信xin號hao和he集ji成cheng芯xin片pian應ying當dang布bu放fang在zai臨lin近jin地di層ceng一yi邊bian,非fei關guan鍵jian信xin號hao則ze布bu放fang在zai靠kao近jin電dian源yuan層ceng一yi邊bian。因yin為wei地di層ceng本ben身shen就jiu是shi用yong來lai吸xi收shou和he消xiao除chu噪zao聲sheng的de,其qi本ben身shen幾ji乎hu是shi沒mei有you噪zao聲sheng的de。
信號線的布置
不相容的信號線之間能產生耦合幹擾,所以在信號線的布置上要把它們隔離,隔離時采取的措施有:
(1)不相容信號線應相互遠離,不要平行,分布在不同層上的信號線走向應相互垂直,這樣可以減少線間的電場和磁場耦合幹擾;
(2)高速信號線特別是時鍾線要盡可能的短,必要時可在高速信號線兩邊加隔離地線;
(3)信號線的布置最好根據信號流向順序安排,一個電路的輸入信號線不要再折回輸入信號線區域,因為輸入線與輸出線通常是不相容的。
當高速數字信號的傳輸延時時間Td>Tr(Tr為信號的脈衝上升時間)時,應考慮阻抗匹配問題。因為錯誤的終端阻抗匹配將會引起信號反饋和阻尼振蕩。通常線路終端阻抗匹配的方法有串聯源端接法、並聯端接法、RC端接法、Thevenin端接法4種。
(1)串聯源端接法
圖3為串聯源端接電路。

圖3:串聯源端接電路
源端阻抗Zs和分布在傳輸線上的阻抗Zo之間,加上源端接電阻Rs,用來完成阻抗匹配,Rs還能吸收負載的反饋。這裏的Rs必須離源端盡可能的近,理論上應為Rs=Zo-Zs中的實數值。一般Rs取15~75Ω。
(2)並聯端接法
圖4為並聯端接電路。附加1個並聯端電阻Rp,這樣Rp與ZL並聯後就與Zo相匹配。這個方法需要源驅動電路來驅動一個較高的電流,能耗很高,所以在功耗小的係統中不適用。

圖4:並聯端接電路
(3)RC端接法
圖5為RC端接電路。該方法類似於並聯端接電路,但引入了電容C1,此時R用於提供匹配Zo的阻抗。C1為R提供驅動電流並過濾掉從傳輸線到地的射頻能量。因此與並聯端接方法相比,RC端接電路需要的源驅動電流更少。R和C1的值由Zo,Tpd(環路傳輸延遲)和終端負載電容值Cd決定。時間為常數,RC=3Tpd,其中R∥ZL=Zo,C=C1∥Cd。

圖5:RC端接電路
(4)Thevenin端接法
圖6為Thevenin端接電路。該電路由上拉電阻R1和下拉電阻R2組成,這樣就使邏輯高和邏輯低與目標負載相符。其中,R1和R2的值由R1∥R2=Zo決定,R1+R2+ZL的值要保證最大電流不能超過驅動電路容量。

圖6:Thevenin端接電路
本文通過對電子產品電磁環境的分析,確定高速DSP係統中產生幹擾的主要原因,並針對這些原因,通過對高速DSP係統的多層板布局、器件布局以及PCB布線等方麵進行分析,給出有效降低DSP係統的幹擾、提高電磁兼容性能的措施。從設計層次保證了高速DSP係統的有效性和可靠性。合理布局設計,減少噪聲,降低幹擾,避開不必要的失誤,對係統性能的發揮起到不可低估的作用。
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