在PCB从EMC从角度看,首先要考虑三个主要因素:输入/输出引脚的数量、设备密度和功耗。一个实用的规则是,片状元件占基板的20%,每平方英寸的耗散功率不大于2W。
在设备布置方面,原则上相关设备应尽可能靠近,数字电路、模拟电路和电源电路应分别放置,高频电路应与低频电路分开。容易产生噪声的设备、小电流电路和大电流电路应尽可能远离逻辑电路。应单独安排时钟电路、高频电路等主要干扰和辐射源,远离敏感电路。输入输出芯片应位于接近混合电路的包装中I/O出口处。
为了减少分布参数和相互电磁干扰,高频元件应尽可能缩短连接,易受干扰的元件不应相互靠近,输入输出应尽可能远离。振荡器尽可能靠近时钟芯片,远离信号接口和低电平信号芯片。组件应平行或垂直于基板的一侧,使组件尽可能平行排列,这不仅会降低组件之间的分布参数,而且符合混合电路的制造工艺,易于生产。
对称布置混合电路基板上的电源和接地引出焊盘,最好均匀分布大量电源和接地I/O连接。裸芯片的贴装区域连接到最负电位平面。
在选择多层混合电路时,电路板的层间布置随具体电路而变化,但一般具有以下特点。
(1)电源和地层分布在内层,可视为屏蔽层,可抑制电路板上固有的共模RF干扰,降低高频电源的分布阻抗。
(2)板内的电源平面和地平面应尽可能相邻。一般来说,地平面高于电源平面,使层间电容作为电源的平滑电容,接地平面屏蔽电源平面分布的辐射电流。
(3)布线层应尽可能靠近电源或地平面,以产生通量对消。
在电路设计中,往往只注重提高布线密度,或追求均匀的布局,忽视线路布局对预防干扰的影响,使大量信号辐射到空间形成干扰,可能导致更多的电磁兼容性问题。因此,良好的布线是设计成功的关键。
地线不仅是电路工作的电位参考点,也是信号的低阻抗电路。地线上常见的干扰是地环电流引起的地环干扰。解决这类干扰问题,就是解决大多数电磁兼容问题。地线噪声主要影响数字电路的地电平,而数字电路输出低电平时,对地线噪声更敏感。地线上的干扰不仅会导致电路误动,还会导致传导和辐射发射。因此,减少这些干扰的重点是尽可能减少地线的阻抗(对于数字电路,减少地线电感尤为重要)。
地线布局应注意以下几点:
数字电路和模拟电路根据不同的电源电压分别设置地线。
(2)公共地线应尽可能粗。在采用多层厚膜工艺时,可以专门设置地线表面,有助于减少环路面积,降低接收天线的效率。它可以作为信号线的屏蔽。
(3)避免梳状地线,使信号回流环路大,增加辐射和敏感性,芯片之间的公共阻抗也可能导致电路误操作。
(4)板上安装多个芯片时,地线上会出现较大的电位差,应将地线设计成封闭环,以提高电路的噪声容量。
(5)具有模拟和数字功能的电路板通常与数字地分开,只连接到电源处。
一般来说,除了电磁辐射引起的直接干扰外,电源线引起的电磁干扰最为常见。因此,电源线的布局也非常重要,通常应遵守以下规则。
(1)电源线应尽可能靠近地线,以减少供电环路面积,减少模具辐射差异,有助于减少电路交扰。不同电源的电源环不应重叠。
(2)模拟电源与数字电源分开,避免相互干扰。不要将数字电源与模拟电源重叠,否则会产生耦合电容,破坏分离。
(3)当电源平面与地平面完全隔离时,应选择低介电常数的介质浆。电源平面应靠近接地平面,并布置在接地平面下,以屏蔽电源平面分布的辐射电流。
(4)芯片的电源引脚和地线引脚之间应去耦。去耦电容为0.01uF的片式电容,应贴近芯片安装,使去耦电容的回路面积尽可能减小。
(5)选择贴片芯片时,尽量选择靠近地引脚的电源引脚芯片,可以进一步减少去耦电容的电源电路面积,有利于实现电磁兼容。
使用单层薄膜工艺时,一种简单适用的方法是先布置地线,然后布置关键信号,如高速时钟信号或敏感电路,最后布置其他电路。信号线的布置应根据信号的流向顺序进行,使电路板上的信号平稳。
如果要把EMI尽量减少,使信号线尽可能靠近其组成的回流信号线,使回路面积尽可能小,避免辐射干扰。低电平信号通道不得靠近高电平信号通道和无滤波电源线,对噪声敏感的布线不得与大电流、高速开关线平行。如有可能,将所有关键线路布置成带状线。不相容的信号线(数字与模拟、高速与低速、大电流与小电流、高电压与低电压等。)应相互远离,不要平行行走。信号间的串扰对相邻平行线的长度和间距非常敏感,因此尽量扩大高速信号线与其他平行信号线的间距,缩小平行长度。
导带的电感与其长度和长度成正比,与其宽度成正比。因此,导带应尽可能短,同一部件的地址线或数据线应尽可能长。作为电路输入输出的导线,尽量避免相邻平行。最好在两者之间添加接地线,以有效地抑制串扰。低速信号的布线密度可以相对较大,高速信号的布线密度应尽可能小。
除遵守单层布线规则外,还应注意多层厚膜工艺:
尽量设计一个单独的地线表面,信号层与地层相邻。当不能使用时,必须在高频或敏感电路附近设置地线。分布在不同层上的信号线应相互垂直,以减少线之间的电场和磁场耦合干扰;同一层上的信号线保持一定的间距,最好用相应的地线电路隔离,以减少线之间的信号串扰。每条高速信号线应限制在同一层
上面。信号线不要离基板边缘太近,否则会引起特征阻抗变化,容易产生边缘场,增加向外辐射。
时钟电路在数字电路中占有重要地位,是电磁辐射的主要来源。一个有2ns时钟信号辐射能量的频谱可达160MHz。因此,时钟电路的设计是确保整个电路电磁兼容性的关键。时钟电路的布局有以下注意事项:
(1)时钟信号不应由菊花链结构传输,而应采用星形结构,即所有时钟负载直接与时钟功率驱动器连接。
(2)所有连接晶体振动输入/输出端的导带应尽可能短,以减少噪声干扰和分布电容对晶体振动的影响。
(3)晶体振动电容线应使用尽可能宽和短的导带连接到设备上;最接近晶体振动的数字引脚应尽量减少过孔。
单层薄膜、多层厚膜和多层共烧厚膜有三种制造工艺可供选择。薄膜工艺可生产高密度混合电路所需的小尺寸、低功率、高电流密度部件,具有高质量、稳定、可靠、灵活的特点,适用于高速、高频、高密度的电路。但只能做单层布线,成本高。多层厚膜工艺可以低成本制造多层互连电路, 从电磁兼容的角度来看,多层布线可以减少电磁辐射,提高电磁辐射的抗干扰能力。由于可以设置特殊的电源层和地层,因此信号与地线之间的距离仅为层间距。这样,板上所有信号的回路面积都可以最小化,从而有效减少差模辐射。
多层共烧厚膜烧厚膜技术具有更多的优点,是目前无源集成的主流技术。它可以实现更多层的布线,易于件,提高组装密度,具有良好的高频特性和高速传输特性。此外,它与薄膜技术具有良好的兼容性,可以实现更高的组装密度和更好的性能。
裸芯片一般用于混合电路中的有源器件,没有裸芯片时可以选择相应的封装芯片,以获得最佳的EMC特性,尽量选择表贴芯片。在满足产品技术指标的前提下,尽量选择低速时钟。HC永远不要用它AC,CMOS4000能行就不用HC。电容器应具有低等效串联电阻,以避免信号大衰减。
可伐金属底座和壳盖可用于混合电路的封装,平行缝焊,屏蔽效果好。