劉嬋媛 程虎成 饒啟超
摘要:PCB的電磁兼容設(shè)計是否合理是改善整個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。文章中介紹的電路隔離、接口抑制、參考面設(shè)置等實用技術(shù),能夠有效地改善信號的完整性,改善產(chǎn)品的EMC性能。
關(guān)鍵詞:PCB;電磁兼容;電路隔離
中圖分類號:TN41
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:2095-6487(2019)03-0033-02
0引言
伴隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,各類電子設(shè)備向著小型化、智能化和高集成的方向發(fā)展,電路設(shè)計越來越復(fù)雜,產(chǎn)品對干擾的敏感度所造成的問題越來越多,由此帶來的EMC問題也越來越嚴(yán)重。當(dāng)前各類電力設(shè)備的載體都是印制電路板(PCB),在PCB一級解決EMC問題將比在更高層次上解決所需要的花費更少,而且能夠有效縮短產(chǎn)品的上市周期。先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計,在一開始就要求將EMC作為設(shè)計的一個重要組成部分,最好能對設(shè)備的電磁兼容性進(jìn)行分析和預(yù)測,并針對問題采取措施實現(xiàn)電磁兼容。文中將介紹一些涉及到EMC的基本PCB設(shè)計技術(shù),為PCB的電磁兼容設(shè)計和布局提供實用性幫助。
電磁干擾源、干擾信號耦合通道和干擾接收器(敏感設(shè)備)是形成干擾的三個要素,上述的三個基本要素都具備的時候才會發(fā)生電磁干擾,只要能夠去除其中的一個,就可以去除電磁干擾。
1PCB電路板的尺寸和層數(shù)
電路板的層數(shù)和尺寸要根據(jù)電路原理、元器件的尺寸和相互間的影響決定,如果尺寸太大,布線長度就長,線的阻抗增加,抗干擾能力弱”。而尺寸太小,元器件過于密集,不僅不利于散熱,而且不同線路和元器件之間容易產(chǎn)生相互干擾。
印制電路板的層數(shù)由單層板向多層板的進(jìn)步,不僅解決了元器件的布線分布問題,同時還是達(dá)到電容兼容標(biāo)準(zhǔn)的主要措施。
雙層板由于雙面均有地線、電源線、互連線和元器件,容易互相干擾,所以一般線徑要盡可能的粗而且相互靠近,常規(guī)線寬為通過最大電流能力的3倍以上,供電的環(huán)路面積要盡可能的小而且不會相互重疊2]。
目前高集成和高速數(shù)字電路一般采用四層或者四層以上的多層板,在多層板設(shè)計中,會設(shè)置專門的電源層和地層,甚至?xí)O(shè)置專門的參考平面層,使得信號線和參考面之間的距離僅為電路板的層間距離,這樣可以最大限度的減少板上信號的回路面積,減少差模輻射,提高電路板的抗干擾能力。多層板分布方案如表1所示。
2元器件的選型
對于器件的選型,應(yīng)盡量選用噪聲容限值高的元器件,有利于提高整個設(shè)備的抗干擾性,在滿足功能的基礎(chǔ)上,應(yīng)該優(yōu)先考慮開關(guān)速度較慢的邏輯器件,在封裝的選擇上,則應(yīng)該盡量選擇無引腳的元器件,相對于直插類元器件,表面貼裝元器件的電磁干擾要小得多。
3參考面與布線
PCB線條單根導(dǎo)線的電感大約為lnH/mm,一根10mm長的PCB線條,在100MHz頻率上就有6.3R,在1GHz頻率上該電阻將高達(dá)639,因此,需要一個完整無缺的金屬導(dǎo)體面積才有可能在高頻率時提供一個合適的參考,我們將這種完整的金屬面稱之為參考面。
所有的參考面必須處在所有元器件以及走線的下面,而且還要向外延伸一個足夠長的距離,大概需要參考面上部高度的20倍以上。
如引線、插針和通孔這類貫通的存在會增加參考面的電感,尤其是高頻情況下,該參考面的有效性就會降低,“掩埋通孔”技術(shù)允許在布線層之間相互連接,而不需要參考面的貫通。如果必須在參考面上通過,經(jīng)驗值為,任何間隙的尺寸懷應(yīng)大于所關(guān)心的最高頻率波長的百分之一。
4電路的隔離
干擾源可以分為內(nèi)部干擾源和外部干擾源,內(nèi)部干擾源包括電路內(nèi)部本身產(chǎn)生的干擾源,外部干擾源包括大氣、雷電等自然干擾和通信、雷達(dá)、其他電氣設(shè)備等發(fā)射的人為干擾。
在正式設(shè)計的開始,就需要考慮電路隔離技術(shù),隔離區(qū)域的劃分,是PCB布局設(shè)計的開端。兩個最基本的隔離區(qū)域是外部世界和內(nèi)部世界。
要對外部世界的電磁環(huán)境進(jìn)行完全控制是不現(xiàn)實的,而對內(nèi)部世界的電磁環(huán)境可以獲得完全的控制。
4.1外部世界和內(nèi)部世界的邊界
在存在有效罩殼屏蔽的電路中,屏蔽罩殼就成為了外界和內(nèi)部之間的邊界,但對于一個未屏蔽產(chǎn)品的界定就相當(dāng)困難了,整個內(nèi)部區(qū)域要在機(jī)械上和電氣上與外界隔離,而內(nèi)部區(qū)域之間也應(yīng)該在物理上相互隔離。
4.2內(nèi)部世界的劃分
當(dāng)內(nèi)部世界的區(qū)域確定之后,內(nèi)部世界應(yīng)該被規(guī)劃為多個“內(nèi)部區(qū)域”,進(jìn)一步被隔離成諸如臟的、高速的、噪擾的等“活躍”電路區(qū)域,以及干凈的、敏感的、安靜的等“受害”電路區(qū)域。電路的活躍程度取決于它的最大dv/dt或者di/dt,電路的受害程度則取決于它的信號電平及噪聲容限,容限越小,敏感度越高[3]。
5元器件放置規(guī)則
在每個內(nèi)部區(qū)域中,首先要安置的是最為噪擾和最為敏感的元器件,應(yīng)將他們盡可能的安排在該區(qū)域的中心位置,同時又要盡可能的遠(yuǎn)離電纜和導(dǎo)線。這類元器件包括時鐘發(fā)生器、微控制器、變壓器、集成總線IC等噪擾元器件和模擬IC、毫伏級放大器等敏感元器件。
數(shù)字時鐘發(fā)生器、數(shù)字總線和高速I/0的數(shù)據(jù)傳輸線一定要盡可能的短,為了使它們的走線長度達(dá)到最短,甚至可能需要通過實驗來最終決定元器件的布局,一定要重視。
其他類型的模擬、數(shù)字和電源信號也應(yīng)根據(jù)它們的活躍和敏感程度來決定它們的布局和走線,所有的元器件和它的走線都必須保持在為它們所指定的區(qū)域內(nèi)。
直接與其他區(qū)域連接的器件(如A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、濾波器等)要安置在它們所在區(qū)域最邊緣的地方[4)。
6接口抑制
外界和內(nèi)部接口,上的抑制,可以采用屏蔽、濾波器、隔離變壓器、光耦合器、浪涌保護(hù)器件等。
內(nèi)部區(qū)域之間的接口元件,諸如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、變壓器、數(shù)據(jù)總線、濾波器、隔離器和類似元器件要安裝在他們共用的完成互連接的一邊,并完整的保持在其中一個區(qū)域內(nèi)。
7結(jié)束語
上述PCB設(shè)計技巧,首先需要確定電路板的尺寸和層數(shù),然后根據(jù)原理圖選擇合適的元器件型號和封裝形式,為電路板分割出內(nèi)部世界和外部世界,采用必要的屏蔽濾波措施,進(jìn)而在設(shè)備的內(nèi)部世界劃分內(nèi)部區(qū)域,不同的內(nèi)部區(qū)域內(nèi)分別優(yōu)先布局重點元器件,不同區(qū)域之間的接口需采用接口抑制技術(shù),且需要設(shè)計參考平面。單片PCB產(chǎn)品常規(guī)電磁兼容設(shè)計如圖1所示。
當(dāng)然,文中所涉及的僅僅是一些基本設(shè)計技術(shù),針對更高要求的電路,需要使用更先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)來滿足EMC性能要求,這里所描述的基本設(shè)計技術(shù)可以滿足一般電路的設(shè)計要求,可以為一般的電路設(shè)計人員提供實用性幫助。
參考文獻(xiàn)
[1]江思敏.PCB和電磁兼容設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.
[2]鄭軍奇.EMC設(shè)計與測試案例分析(第2版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010
[3]大衛(wèi)A.韋斯頓.電磁兼容原理與應(yīng)用[M].王守三,楊自佑譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.
[4]王萍.淺談PCB電磁兼容設(shè)計[J].電子質(zhì)量,2010(10):73-75.