介紹
該信息作為電子電路的初步設計和開(kāi)發(fā)階段的指南,以防止潛在的電磁干擾(EMI)和電磁兼容性(EMC)問(wèn)題。這些提示代表了良好的印刷電路板(PCB)設計實(shí)踐,建議作為評估和選擇EMI / EMC軟件建模工具的清單。電路板的EMI仿真需要評估許多細節,例如時(shí)鐘頻率,開(kāi)關(guān)速率,上升/下降時(shí)間,信號諧波,數據傳輸速率,阻抗,跡線(xiàn)負載以及各種電路元件的類(lèi)型和值的考慮。PC板及其相關(guān)金屬部件的物理布局是重要的考慮因素。應特別注意信號源組件,過(guò)孔,走線(xiàn),焊盤(pán),電路板疊層,屏蔽外殼,連接器和電纜的位置和特性。例如,隨著(zhù)信號頻率和時(shí)鐘/開(kāi)關(guān)速率的增加,PC板的走線(xiàn)特性可能與傳輸線(xiàn)和輻射器的特性相似。PC板跡線(xiàn)或組件可以成為有效天線(xiàn),其長(cháng)度小至波長(cháng)的二十分之一。
可以在組件,PC板或機箱級別處理EMI / EMC問(wèn)題。但是,盡可能接近源或易受害者處理這些問(wèn)題要高效得多。因此,重要的是將這些技巧視為PCB設計和布局的指導,以便在實(shí)際制造設備之前識別和防止問(wèn)題。
一般
(1)在解決互連和系統級別的EMI之前,應在電路和盒級應用EMI控制。
(2)由于處理周期性波形和快速時(shí)鐘/切換速率,數字電路更可能成為發(fā)射源。由于更高的增益功能,模擬電路更可能成為易受影響的受害者。
(3)大多數EMI問(wèn)題的來(lái)源或易感受害者通常是電子元件。雖然有源元件通常是EMI的來(lái)源,但無(wú)源元件通常會(huì )對其產(chǎn)生影響,具體取決于信號頻率和元件的特性。例如,由于繞組之間的高頻寄生耦合,電感器可能變得主要是電容性的。由于內部電感和高基頻和諧波頻率下的外部引線(xiàn)電感,電容會(huì )產(chǎn)生寄生串聯(lián)電感。
(4)涉及有源元件的EMI問(wèn)題可能是器件輸出傳輸發(fā)射或其輸入提供易感性路徑的結果。然而,在高頻下,有源元件可能成為EMI的直接輻射器或受體。此外,組件的電源和接地連接可以提供發(fā)射和易感性的路徑。
(5)雖然與差模電流相比,共模電流通常較小,但它們可能是輻射發(fā)射的主要原因。
(6)通過(guò)使用帶有電源層的多層PC板,可以大大提高單層,自由布線(xiàn)(使用電源和接地走線(xiàn)而不是平面)PC板設計的發(fā)射和磁化率。前向信號與其返回路徑(地平面)之間的高電容提供電場(chǎng)的容納。路徑的低電感提供磁通消除。盡管在PCB疊層設計中并不總是如此,但跡線(xiàn)應該與其相關(guān)的返回路徑隔開(kāi)一個(gè)介電層,并且電壓和接地平面應盡可能緊密間隔。
(7)PCB疊層設計對于控制電磁場(chǎng)非常重要,同時(shí)提供額外的電源總線(xiàn)旁路和去耦,并最大限度地降低總線(xiàn)電壓瞬變。使用電源層的多層PC板設計的一些好處是:
一個(gè)。如果設計得當,電源平面將提供圖像平面效果。由于電源平面中的返回電流與相關(guān)的信號電流相等且極性相反,因此它們的電磁場(chǎng)將趨于抵消。電源層還可以減少信號和電源走線(xiàn)的環(huán)路面積,從而降低EMI輻射和易感性。
灣接地層可降低整體接地阻抗,從而降低高頻接地反彈。而且,地面和電壓平面之間的阻抗在高頻下降低,這減少了電源總線(xiàn)振鈴。
(8)具有快速輸出轉換的時(shí)鐘IC對電壓和電流分配組件(如電源,電源總線(xiàn)和電源層)要求非常高。電源總線(xiàn)的電感可以防止快速輸出轉換和快速上升時(shí)間所需的快速能量傳輸。通過(guò)在IC的電源引腳上放置去耦電容可以改善這一點(diǎn)。必須在頻率響應中正確選擇電容,以提供IC輸出頻譜所需的能量。然而,隨著(zhù)去耦路徑的數量增加,跨越它們的電壓降的數量也增加,這可能導致電源總線(xiàn)瞬變以及相關(guān)的共模發(fā)射。通過(guò)在IC區域中進(jìn)行適當的電源平面設計,可以最大限度地減少此問(wèn)題。電源平面充當有效的高頻電容器,因此,作為更清潔的IC輸出所需的額外能量源。
PCB布局
(1)盡可能使用多層PC板而不是單層板。
(2)如果必須使用單層板,則應使用接地平面以幫助減少輻射。
(3)頂部和底部接地層可以幫助減少多層板的輻射至少10 dB。
(4)分段式PC板接地層可用于減少由共模電流引起的電纜輻射。
(5)電源和返回平面應位于多層PCB的相對側。有效功率平面的電感很低。因此,可能在電源層上產(chǎn)生的任何瞬變都將處于較低水平,從而導致較低的共模EMI。
(6)電源層與高頻IC電源引腳的連接應盡可能靠近IC引腳。更快的上升時(shí)間可能需要直接連接到IC電源引腳的焊盤(pán)。
(7)當模擬和數字電路彼此靠近時(shí),它們易于相互作用。這些應盡可能位于PC板的不同層上。如果電路必須位于同一層,則應將它們分成具有適當隔離布局的模擬和數字區域。
(8)高頻走線(xiàn),例如用于時(shí)鐘和振蕩器電路的走線(xiàn),應由兩個(gè)地平面包含。這提供了最大的隔離。隨著(zhù)頻率的增加,跡線(xiàn)或導體的電抗很容易超過(guò)其直流電阻。如果該跡線(xiàn)靠近其接地平面運行,則電感可減少約三分之一。
(9)時(shí)鐘/振蕩器走線(xiàn)的附加EMI預防措施包括利用在幾個(gè)位置接地的接地平面的保護走線(xiàn)。還可能需要用箔或小金屬外殼屏蔽時(shí)鐘和振蕩器組件。
(10)每當時(shí)鐘速率加倍時(shí),總電路串擾增加兩倍。通過(guò)最小化地板平面上方的PC板走線(xiàn)高度,可以減少EMI輻射和串擾。
(11)PC板邊緣輻射可能是跡線(xiàn)位于太靠近板邊緣的結果。這可以通過(guò)將跡線(xiàn)保持在遠離板邊緣的板厚度的至少3倍的距離來(lái)最小化。
(12)如果可能,應避免PC板走線(xiàn)堆疊。否則,應限制在一個(gè)走線(xiàn)高度,以減少輻射,串擾和阻抗不匹配。
(13)并行軌跡通常容易發(fā)生串擾。它們之間應至少分開(kāi)2個(gè)走線(xiàn)寬度,以減少串擾。
去耦,旁路和過(guò)濾
(1)EMI濾波器可用作分流元件,以轉移來(lái)自走線(xiàn)或導體的電流;作為阻擋跡線(xiàn)或導體電流的串聯(lián)元件;或者它們可以用作這些功能的組合。濾波器元件的選擇應始終基于所需的頻率范圍和元件特性。低通濾波器可用于減少大多數高頻EMI問(wèn)題。它包含電容分流器和串聯(lián)電阻或電感。但是,在頻率極端情況下,電容可以變?yōu)殡姼?,電感可以變?yōu)殡娙?,從而使濾波器更像帶阻濾波器。濾波器設計類(lèi)型應基于電路應用點(diǎn)的總阻抗,以實(shí)現正確匹配。T型濾波器設計對大多數EMI應用都很有效,是模擬和數字I / O端口的理想選擇。
(2)電容器可用于其高頻性能特性?xún)鹊男盘枮V波和電源去耦。但是,它們的內部和外部電感會(huì )限制高頻時(shí)的性能。建議在高頻時(shí)使用陶瓷電容,特別是GHz范圍內的電容。在所關(guān)注的頻率下提供小于1歐姆的電抗的電容器應該足夠。電容引線(xiàn)和走線(xiàn)長(cháng)度必須在高頻時(shí)短,以防止增加感應電抗。
(3)在高頻(大于100 MHz)下使用的PC板旁路電容應采用表面貼裝技術(shù)(SMT),其通孔足夠靠近安裝墊,以最大限度地減少或消除走線(xiàn)。通孔應該很大(直徑大于0.035英寸),并且PC板應該足夠薄,以使電源和接地平面靠近電容器主體(厚度小于0.030英寸)。通過(guò)降低電容器的整體有效電感,旁路電容器的正確設計布局可以大大降低功率和接地電路噪聲。
(4)線(xiàn)繞鐵氧體電感器可用于較低RF頻率的EMI發(fā)射和抗擾度濾波。這些可以提供從大約1微亨到1毫亨的電感。然而,它們可以成為高于其諧振頻率的電容器,并且在最常見(jiàn)的50MHz至500MHz的EMI頻率范圍內無(wú)用。鐵氧體和鐵氧體磁珠推薦用于較高頻率的應用,在這些應用中它們變得有損并且更像電阻器。在所關(guān)注的頻率上選擇約100至600歐姆的鐵氧體阻抗。
(5)應盡可能使用配有旁路電容或濾波器引腳的屏蔽I / O電纜連接器。
(6)I / O濾波器應位于I / O連接器內部(與濾波器引腳一樣),而不是PC板上。
(7)I / O旁路電容應安裝在I / O連接器上,而不是安裝在PC板上。
(8)I / O鐵氧體應安裝在I / O連接器內部,而不是安裝在PC板上。
(9)I / O電纜連接器上的卡扣式鐵氧體磁珠可提供3至5 dB的共模吸收。
(10)多個(gè)鐵氧體可用于將輻射降低多達10 dB,具體取決于它們在感興趣的頻率下的特性。
(11)鐵氧體磁珠有高Q諧振和低Q非諧振(吸收)類(lèi)型。低Q珠推薦用于數字電路和濾波應用。
(12)外部電纜或I / O連接器濾波器可提供大于10 dB的共模抑制。
電纜和連接器
(1)電纜應根據其功能進(jìn)行分組,如電源,模擬,數字和RF。
(2)應為模擬和數字信號使用單獨的連接器組件。
(3)模擬和數字連接器應盡可能遠離。
(4)共用同一個(gè)I / O連接器時(shí),模擬和數字信號引腳應由未使用的接地引腳分開(kāi)。
(5)對于每個(gè)信號返回,應在I / O連接器內使用單獨的引腳,以便所有返回電路保持分離。
(6)通過(guò)為每個(gè)信號使用單獨的電源和接地引腳并減少電路的負載和電流,可以減少連接器串擾。
(7)電纜屏蔽層應接地到I / O點(diǎn)的設備外殼。
(8)如果兩端接地,屏蔽I / O電纜最有效。
(9)在內部連接之前,應在設備的金屬外殼上除去電纜共模電流。
(10)電纜應靠近接地層,屏蔽結構和電纜橋架布線(xiàn)。
接地
(1)使用地平面代替矢量軌跡。
(2)接地走線(xiàn)應盡可能短而粗。
(3)去耦信號和RF電路接地。
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原文標題:電子印刷電路板設計技巧
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