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印刷電路板設計布局指導原則(上)

time : 2019-08-14 08:30       作者:凡億pcb

隨著高科技領域的進步,電磁干擾(electromagneticinference,EMI)的問題也日益增多。當半導體元件速度變得越快、密度越高時,噪音也越大。對印刷電路板(PCB)設計工程師而言,EMI的問題也日趨重要。忽視EMI布局的PCB設計工程師,將發現其設計不是在執行時無法與規格一致,就是根本無法動作。藉由適當的印刷電路板設計布局技術與配合系統化的設計方法,可預先避免EMI問題的干擾。本文所列舉的電路板設計布局指導原則雖非解決EMI問題的萬靈丹,但利用已證實的布局方法,可有效的降低在以高頻微處理器/數位信號處理器為基礎的數位類比混合信號系統中的EMI干擾。
 
一、PCB的布局原則
PCB布局降低噪音的檢查要項:
? 元件的放置
? 接地的布局/接地噪音的定義/降低接地噪音
? 電源線的布局與解藕/電源線的噪音藕合/電源線濾波器(powerlinefilter)
? 信號的布局
? 數位IC的削尖電容(despikingcapacitor)
? 數位電路的噪音與布線
? 類比電路的噪音與布線
 
二、EMI電磁干擾簡介
1、噪音的定義
噪音系指除了所需的信號以外而出現在電路內的任何電氣信號[MotchenbacherandFitchen,1973],此定義并不包含內部的失真信號-一種非線性的附屬品。所有電子系統都或多或少有些噪音,但只有當噪音影響到系統的正常執行時才會發生問題。
噪音的來源可被歸類成三種不同的典型:
? 人為的噪音源一數位電子、無線電傳輸、馬達、開關、繼電器等等。
? 天然的干擾一太陽黑子及閃電。
? 純質的噪音源一從實際系統產生的相關隨機擾動,諸如熱噪音和凸波噪音。
我們應當了解,噪音是不可能完全被去除的,但是經由適當的接地(grounding)、屏避(shielding)與濾波(filtering),則可將其干擾盡量降低。對于一個良好的電路設計,預防勝于發生問題后的電路修改。在電路板的布局即開始做好噪音防治的工作,是建構高可靠度低噪音電子系統的首要工作。
 
2、EMI的起源
EMI的來源包括微處理器、開關電路、靜電放電、發射器、暫態電源元件、電源以及閃電。在一個微處理器為基礎的電路板內,數位時序電路通常是寬頻帶噪音的最大產生者,這所謂的寬頻帶即指分布于整個頻譜的噪音。隨著快速半導體以及更快的邊緣變化率的增加,這些電路可能產生高達300MHz的諧波干擾,這些高頻諧波應予以屏蔽或濾除。
 
3、EMI傳輸
了解噪音如何傳輸有助于辨識電路內部的電磁干擾問題。噪音的發生必需要有來源(source)、藕合路徑(couplingpath)以及易感染的接收器(susceptiblereceptor)[Ott,1988],這三者必需一起出現才會有EMI問題的存在,圖1說明EMI如何以藕合方式進入一個系統。因此,若是三者之一被排除于系統之外或被減少,干擾才會消失或降低。圖1是以馬達控制為例的EMI說明,其中功率級至馬達的線圈電流是產生EMI的來源,控制器的低階信號(數位或類比信號)是易受干擾的接收器,藕合路徑則可能是經由傳導方式(經由電源或地線)或輻射方式。
EMI的噪音源、傳導路徑與接收器
圖1.EMI的噪音源、傳導路徑與接收器
 
圖2.以馬達控制為例的EMI傳導路徑
 
4、藕合路徑
噪音會藕合到電路內的較明顯方式之一是透過電導體(傳導方式)。假如信號線經過一個充滿噪音的環境,信號線將受感應拾取噪音信號并傳至電路的其它部分,例如電源供應器的噪音就會經由電源線而藕合至電路,如圖3所示。
傳導藕合噪音
圖3.傳導藕合噪音
 
藕合也會因電路中具有或使用共同阻抗(commonimpedance)而產生。圖4(a)的兩個子電路因為有著共同的接地阻抗,因此會彼此影響。另外一種狀況則發生在兩個子電路共同使用同一個電源供應器,圖4(b)即為此種狀況。若是電路(一)突然產生較大的電流,則電路(二)的供應電壓將會因共用電源線間的共同阻抗與內阻而降低。從電路(二)流出之數位回路電流會在共用之回路阻抗產生高頻數位噪音,此噪音在電路(一)的回路產生接地跳動,不穩定的接地會嚴重衰減低頻類比電路的信號噪音比,像是運算放大器和類比數位轉換器等等。這種藕合效應可藉由降低共同阻抗而減弱(加寬電源線的拉線寬度),但內阻來自電源供應器則無法改變。此種狀況,在接地回路的導線也有相同的效應,由此可知電源供應器的輸出阻抗(outputimpedance)也會影響電路對噪音的抵抗能力。
經由共同組抗而藕合的噪音
圖4.經由共同組抗而藕合的噪音
 
噪音的藕合也可經由電磁輻射的方式發生,此種狀況會發生在所有具有共同輻射電磁場的電子電路。電流改變就產生電磁波,這些電磁波會藕合到附近的導體并影響電路中的其他信號,如圖5所示。
經由電磁輻射藕合的噪音
圖5.經由電磁輻射藕合的噪音
 
5、接收器(receptor)
基本上所有的電子電路都會發射EMI同時又受到EMI的干擾,因此電子裝置的設計,應該既不受外在EMI干擾源的影響,本身也不應成為EMI的干擾源,此一設計理念即為電磁相容性(electromagneticcompatibility,EMC)。大多數電子設備的EMI是藉由傳導性方式接收,少數則來自無線電頻率之輻射接收。在數位電路中,最臨限(mostcritical)的信號通常最易受到EMI的干擾,例如重置、中斷以及控制線路信號。在類比電路中,類比低階放大器、信號轉換器、補償電路等,則對噪音干擾最為敏感。
 
6、解決EMC的系統設計
電子設備的電磁相容性(EMC)應被視為系統規格來預先考慮而非事后補救。一個電子設備如果它與環境不會相互影響,即具備電氣相容性。如果PCB設計工程師未能在設計初期及慎重考慮此一問題,那么雖然因忽略EMI的設計而縮短了設計時間,并且完成功能測試而量產,然而在產品上市之后,不明的EMI干擾現象就非預期地出現了。這種產品危機的解決方法通常會受到相當的挫折,增加不必要的虛耗及產品后續改善時間的延長,這都浪費時間、金錢與耐性,其結果常導致產品的失敗。
 
EMC應該如同其他被確認的系統規格一樣納入系統里的設計規格,事實上有些機構,像是美國聯邦通訊委員會(FCC)、軍方及國際性機構都為一般電腦設備設立標準,設計者應根據這些規格事先納入考慮,并設計產品原型加以測試。因此,EMC在系統設計時應優先考慮,而非在問題發生后才加東拼西湊的加以補救,EMC的系統設計應成為一種符合經濟效益的設計觀念。
電磁干擾的防治雖然有很多方法,但主要可歸納為兩種不同的型式:降低電磁干擾的散布與提高增電磁干擾的免疫能力。經由適當的系統設計可以抑制電磁干擾的散布;如果問題仍然持續,就得研究不同方式的屏蔽去包住發射體。電路對噪音的敏感性可藉由電路設計的加強以及使用屏蔽物來降低電路對電磁干擾敏感性。以下有關PCB設計布局技術的討論著重于以PCB的布線原則來降低發射體噪音的強度與提升電路對噪音的免疫能力。