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印刷电路板设计布局指导原则(上)

time : 2019-08-14 08:30       作者:凡亿pcb

随着高科技领域的进步,电磁干扰(electromagneticinference,EMI)的问题也日益增多。当半导体元件速度变得越快、密度越高时,噪音也越大。对印刷电路板(PCB)设计工程师而言,EMI的问题也日趋重要。忽视EMI布局的PCB设计工程师,将发现其设计不是在执行时无法与规格一致,就是根本无法动作。藉由适当的印刷电路板设计布局技术与配合系统化的设计方法,可预先避免EMI问题的干扰。本文所列举的电路板设计布局指导原则虽非解决EMI问题的万灵丹,但利用已证实的布局方法,可有效的降低在以高频微处理器/数位信号处理器为基础的数位类比混合信号系统中的EMI干扰。
 
一、PCB的布局原则
PCB布局降低噪音的检查要项:
? 元件的放置
? 接地的布局/接地噪音的定义/降低接地噪音
? 电源线的布局与解藕/电源线的噪音藕合/电源线滤波器(powerlinefilter)
? 信号的布局
? 数位IC的削尖电容(despikingcapacitor)
? 数位电路的噪音与布线
? 类比电路的噪音与布线
 
二、EMI电磁干扰简介
1、噪音的定义
噪音系指除了所需的信号以外而出现在电路内的任何电气信号[MotchenbacherandFitchen,1973],此定义并不包含内部的失真信号-一种非线性的附属品。所有电子系统都或多或少有些噪音,但只有当噪音影响到系统的正常执行时才会发生问题。
噪音的来源可被归类成三种不同的典型:
? 人为的噪音源一数位电子、无线电传输、马达、开关、继电器等等。
? 天然的干扰一太阳黑子及闪电。
? 纯质的噪音源一从实际系统产生的相关随机扰动,诸如热噪音和凸波噪音。
我们应当了解,噪音是不可能完全被去除的,但是经由适当的接地(grounding)、屏避(shielding)与滤波(filtering),则可将其干扰尽量降低。对于一个良好的电路设计,预防胜于发生问题后的电路修改。在电路板的布局即开始做好噪音防治的工作,是建构高可靠度低噪音电子系统的首要工作。
 
2、EMI的起源
EMI的来源包括微处理器、开关电路、静电放电、发射器、暂态电源元件、电源以及闪电。在一个微处理器为基础的电路板内,数位时序电路通常是宽频带噪音的最大产生者,这所谓的宽频带即指分布于整个频谱的噪音。随着快速半导体以及更快的边缘变化率的增加,这些电路可能产生高达300MHz的谐波干扰,这些高频谐波应予以屏蔽或滤除。
 
3、EMI传输
了解噪音如何传输有助于辨识电路内部的电磁干扰问题。噪音的发生必需要有来源(source)、藕合路径(couplingpath)以及易感染的接收器(susceptiblereceptor)[Ott,1988],这三者必需一起出现才会有EMI问题的存在,图1说明EMI如何以藕合方式进入一个系统。因此,若是三者之一被排除于系统之外或被减少,干扰才会消失或降低。图1是以马达控制为例的EMI说明,其中功率级至马达的线圈电流是产生EMI的来源,控制器的低阶信号(数位或类比信号)是易受干扰的接收器,藕合路径则可能是经由传导方式(经由电源或地线)或辐射方式。
EMI的噪音源、传导路径与接收器
图1.EMI的噪音源、传导路径与接收器
 
图2.以马达控制为例的EMI传导路径
 
4、藕合路径
噪音会藕合到电路内的较明显方式之一是透过电导体(传导方式)。假如信号线经过一个充满噪音的环境,信号线将受感应拾取噪音信号并传至电路的其它部分,例如电源供应器的噪音就会经由电源线而藕合至电路,如图3所示。
传导藕合噪音
图3.传导藕合噪音
 
藕合也会因电路中具有或使用共同阻抗(commonimpedance)而产生。图4(a)的两个子电路因为有着共同的接地阻抗,因此会彼此影响。另外一种状况则发生在两个子电路共同使用同一个电源供应器,图4(b)即为此种状况。若是电路(一)突然产生较大的电流,则电路(二)的供应电压将会因共用电源线间的共同阻抗与内阻而降低。从电路(二)流出之数位回路电流会在共用之回路阻抗产生高频数位噪音,此噪音在电路(一)的回路产生接地跳动,不稳定的接地会严重衰减低频类比电路的信号噪音比,像是运算放大器和类比数位转换器等等。这种藕合效应可藉由降低共同阻抗而减弱(加宽电源线的拉线宽度),但内阻来自电源供应器则无法改变。此种状况,在接地回路的导线也有相同的效应,由此可知电源供应器的输出阻抗(outputimpedance)也会影响电路对噪音的抵抗能力。
经由共同组抗而藕合的噪音
图4.经由共同组抗而藕合的噪音
 
噪音的藕合也可经由电磁辐射的方式发生,此种状况会发生在所有具有共同辐射电磁场的电子电路。电流改变就产生电磁波,这些电磁波会藕合到附近的导体并影响电路中的其他信号,如图5所示。
经由电磁辐射藕合的噪音
图5.经由电磁辐射藕合的噪音
 
5、接收器(receptor)
基本上所有的电子电路都会发射EMI同时又受到EMI的干扰,因此电子装置的设计,应该既不受外在EMI干扰源的影响,本身也不应成为EMI的干扰源,此一设计理念即为电磁相容性(electromagneticcompatibility,EMC)。大多数电子设备的EMI是藉由传导性方式接收,少数则来自无线电频率之辐射接收。在数位电路中,最临限(mostcritical)的信号通常最易受到EMI的干扰,例如重置、中断以及控制线路信号。在类比电路中,类比低阶放大器、信号转换器、补偿电路等,则对噪音干扰最为敏感。
 
6、解决EMC的系统设计
电子设备的电磁相容性(EMC)应被视为系统规格来预先考虑而非事后补救。一个电子设备如果它与环境不会相互影响,即具备电气相容性。如果PCB设计工程师未能在设计初期及慎重考虑此一问题,那么虽然因忽略EMI的设计而缩短了设计时间,并且完成功能测试而量产,然而在产品上市之后,不明的EMI干扰现象就非预期地出现了。这种产品危机的解决方法通常会受到相当的挫折,增加不必要的虚耗及产品后续改善时间的延长,这都浪费时间、金钱与耐性,其结果常导致产品的失败。
 
EMC应该如同其他被确认的系统规格一样纳入系统里的设计规格,事实上有些机构,像是美国联邦通讯委员会(FCC)、军方及国际性机构都为一般电脑设备设立标准,设计者应根据这些规格事先纳入考虑,并设计产品原型加以测试。因此,EMC在系统设计时应优先考虑,而非在问题发生后才加东拼西凑的加以补救,EMC的系统设计应成为一种符合经济效益的设计观念。
电磁干扰的防治虽然有很多方法,但主要可归纳为两种不同的型式:降低电磁干扰的散布与提高增电磁干扰的免疫能力。经由适当的系统设计可以抑制电磁干扰的散布;如果问题仍然持续,就得研究不同方式的屏蔽去包住发射体。电路对噪音的敏感性可藉由电路设计的加强以及使用屏蔽物来降低电路对电磁干扰敏感性。以下有关PCB设计布局技术的讨论着重于以PCB的布线原则来降低发射体噪音的强度与提升电路对噪音的免疫能力。