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PCB设计中的EMC技术

除了部件的选择和电路设计外,电路板印刷良好(PCB)设计也是电磁兼容性是一个非常重要的因素。PCB EMC设计的关键是尽量减少回流面积,使回流路径按设计方向流动。最常见的返回电流问题来自于流经连接器的参考平面裂缝、变换参考平面层和信号。跨接电容器或去耦电容器可以解决一些问题,但必须考虑电容器、过孔、焊盘和布线的整体阻抗。本讲将从PCB介绍了分层策略、布局技巧和布线规则EMC的PCB设计技术。

在电路板设计中,厚度、过孔工艺和电路板层数并不是解决问题的关键。优良的分层堆叠是确保电源汇流排的旁路和限度地降低电源层或接地层上的瞬态电压,屏蔽信号和电源的电磁场的关键。从信号布线的角度来看,一个好的分层策略应该是将所有的信号布线放在一层或几层,靠近电源层或接地层。对于电源,一个好的分层策略应该是电源层与接地层相邻,电源层与接地层之间的距离应该尽可能小,这就是我们所说的分层策略。下面我们将具体谈谈优秀的PCB分层策略。

1.布线层的投影平面应在其回流平面层区域内。如果布线层不在其回流平面层的投影区域内,则投影区域外会出现信号线,导致边缘辐射问题,增加信号回路面积和差模辐射。

2.尽量避免布线层的相邻设置。由于相邻布线层上的平行信号布线会导致信号串扰,如果布线层相邻,应适当扩大两个布线层之间的层间距,缩小布线层与信号电路之间的层间距。

3.相邻平面层应避免其投影平面重叠。因为当投影重叠时,层与层之间的耦合电容会导致各层之间的噪声相互耦合。

时钟频率超过5MHz,或者信号上升时间小于5ns为了很好地控制信号电路面积,一般需要使用多层板设计。设计多层板时应注意以下原则:

1.关键布线层(时钟线、总线、接口信号线、射频线、复位信号线、片选信号线、各种控制信号线等。)应与完整的地平面相邻,并优先考虑两个地平面之间,如图1所示。关键信号线通常是强辐射或极其敏感的信号线。靠近地平面布线可以减少其信号电路面积,降低其辐射强度或提高抗干扰能力。

图1 两个平面之间的关键布线层

2.与相邻地平面相比,电源平面应缩小(建议值5)H~20H)。与回流地平面内缩相比,电源平面能有效抑制边缘辐射问题,如图2所示。

图2电源平面应与相邻地平面相比缩小

此外,单板主工作电源平面(使用最广泛的电源平面)应与其地平面紧邻,以有效地减小电源电流的回路面积,如图3所示。

图3 电源平面应靠近其地平面

3.单板TOP、BOTTOM层是否无≥50MHz信号线。如有,最好在两个平面层之间走高频信号,以抑制其对空间的辐射。

对于单层板和双层板的设计,应主要注意关键信号线和电源线的设计。地线必须靠近并平行,以减少电源电流电路面积。

单层板关键信号线两侧应布置Guide Ground Line如图4所示。双层板的关键信号线投影平面应大面积铺设,或与单层板相同处理,设计Guide Ground Line如图5所示。一方面,关键信号线两侧的安全地线可以减少信号电路面积,防止信号线与其他信号线之间的串扰。

图4单层板关键信号线两侧布置Guide Ground Line”

图5 双层板关键信号线投影平面大面积铺设

总的来说,PCB板的分层可根据下表设计。

PCB布局设计时,应充分遵循沿信号流直线放置的设计原则,尽量避免来回环绕,如图6所示。这可以避免直接耦合信号,影响信号质量。此外,为了防止电路和电子元件之间的干扰和耦合,电路的放置和元件的布局应遵循以下原则:

图6 沿信号流直线放置电路模块

1.如果接口设计在单板上干净,则应将滤波器和隔离装置放置在干净和工作场所之间的隔离带上。这样,滤波器或隔离装置可以通过平面层相互耦合来减弱效果。此外,除滤波器和保护装置外,任何其他装置都不能放置在干净上。

2.多模块电路在同一模块中PCB放置时,数字电路应与模拟电路、高速和低速电路分开布置,以避免数字电路、模拟电路、高速电路和低速电路之间的相互干扰。此外,当电路板上同时存在高、中、低速电路时,为避免高频电路噪声通过接口辐射,应遵循图7中的布局原则。

图7 高、中、低速电路布局原则

3.线路板电源输入口的滤波电路应放置在接口附近,以避免过滤后的线路再次耦合。

图8 电源输入口的滤波电路应应靠近接口放置

4.接口电路的滤波、保护和隔离装置放置在接口附近,如图9所示,可有效实现保护、滤波和隔离。接口处有滤波和保护电路的,应遵循先保护后滤波的原则。由于保护电路用于外部过压和过流抑制,如果将保护电路放置在滤波电路后,滤波电路将被过压和过流损坏。此外,由于电路的输入输出线相互耦合会削弱滤波、隔离或保护效果,因此应确保滤波电路(滤波器)、隔离和保护电路的输入输出线不相互耦合。

图9接口电路的滤波、保护和隔离设备靠近接口

5.敏感电路或器件(如复位电路等。)远离单板的各个边缘,尤其是单板接口的侧边缘至少1万mil。

6.储能和高频滤波电容应放置在电流变化较大的单元电路或设备(如电源模块的输入输出端、风扇和继电器)附近,以减少大电流电路的电路面积。

7.滤波器应并排放置,以防止滤波器后的电路再次干扰。

8.晶体晶振、继电器、开关电源等强辐射器件远离单板接口连接器至少1000mil。这可以直接向外辐射干扰或将电流耦合到外出电缆上。

除了部件的选择和电路设计外,电路板印刷良好(PCB)布线也是电磁兼容性中非常重要的因素。既然PCB它是系统的固有成分PCB电磁兼容性的增强不会给产品的最终完成带来额外的成本。任何人都应记住一个拙劣的PCB布线可以导致更多的电磁兼容性问题,而不是消除这些问题。在许多例子中,即使添加了滤波器和元件,这些问题也无法解决。到最后,不得不对整个板子重新布线。因此,一开始就养成好的PCB布线习惯是最经济的方法。下面将对PCB介绍了布线的一些一般规则和电源线、地线和信号线的设计策略。最后,根据这些规则,对空调典型印刷电路板电路提出了改进措施。

布线分离的作用是将PCB同一层相邻线路之间的串扰和噪声耦合最小化。W规范表明,所有信号(时钟、视频、音频、复位等)必须在线和线、边缘和边缘之间隔离,如图10所示。为了进一步减少磁耦合,基准布置在关键信号附近,以隔离其他信号线上产生的耦合噪声。

图10 线迹隔离

设置分流和保护线是隔离和保护充满噪声的系统时钟信号的关键信号。在图21中,PCB内并联或保护线沿关键信号线布置。保护线不仅隔离了其他信号线上产生的耦合磁通,还隔离了与其他信号线耦合的关键信号。分流线与保护线的区别在于分流线不需要端接(与地连接),但保护线的两端必须连接到地。多层PCB中间的保护线每隔一段就可以加到地上。

图11 分流和保护线路

根据印刷电路板电流的大小,尽量增加电源线的宽度,降低环路电阻。同时,使电源线和地线的方向与数据传输的方向一致,有助于提高抗噪声能力。在单面板或双面板中,如果电源线很长,应每隔3万条mil对地加去耦合电容,电容值为10uF+1000pF。

地线设计的原则是:

(1)数字地与模拟地分开。如果电路板上有逻辑电路和线性电路,则应尽可能分开。低频电路的地面应尽可能采用单点并联接地。当实际布线困难时,可部分串联,然后并联接地。高频电路应采用多点串联接地,地线应短而出租,高频元件周围应尽可能采用网格大面积地箔。

(2)接地线应尽可能粗。如果接地线使用非常缝纫的线,接地电位会随电流的变化而变化,从而降低抗噪性能。因此,应加厚接地线,使其能够通过印刷板上的允许电流的三倍。如有可能,接地线应为2~3mm以上。

(3)接地线构成闭环。印刷板仅由数字电路组成,其接地电路大多可以提高抗噪声能力。

对于关键信号线,如果单板有内部信号接线层,则时钟等关键信号线布置在内层,优先考虑接线层。此外,关键信号线不得跨分区接线,包括过孔和焊盘引起的参考平面间隙,否则会导致信号电路面积大。而且关键信号线应距参考平面边沿≥3H(H为线距离参考平面的高度),以抑制边缘辐射效应。

对于时钟线、总线、射频线等强辐射信号线和复位信号线、片选信号线、系统控制信号等敏感信号线,应远离接口外出信号线。从而避免强辐射信号线上的干扰耦合到外出信号线上,向外辐射;也避免接口外出信号线带进来的外来干扰耦合到敏感信号线上,导致系统误操作。

对于差分信号线应同层、等长、并行走线,保持阻抗一致,差分线间无其它走线。因为保证差分线对的共模阻抗相等,可以提高其抗干扰能力。

根据以上布线规则,对空气调节器的典型印制电路板电路进行改进优化,如图12所示。

图12 改进空气调节器的典型印制电路板电路

总体来说,PCB设计对EMC的改善是:在布线之前,先研究好回流路径的设计方案,就有最好的成功机会,可以达成降低EMI辐射的目标。而且在还没有动手实际布线之前,变更布线层等都不必花费任何钱,是改善EMC最便宜的做法。

标签: 103电位器的pcb

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