EMC的PCB設(shè)計(jì)技術(shù) （圖文詳解）

除了元器件的選擇和電路設(shè)計(jì)之外，良好的印制電路板(PCB)設(shè)計(jì)在電磁兼容性中也是一個(gè)非常重要的因素。PCB EMC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是盡可能減小回流面積，讓回流路徑按照設(shè)計(jì)的方向流動(dòng)。最常見(jiàn)返回電流問(wèn)題來(lái)自于參考平面的裂縫、變換參考平面層、以及流經(jīng)連接器的信號(hào)?？缃?a target="_blank">電容器或是去耦合電容器可能可以解決一些問(wèn)題，但是必需要考慮到電容器、過(guò)孔、焊盤(pán)以及布線的總體阻抗。本講將從PCB的分層策略、布局技巧和布線規(guī)則三個(gè)方面，介紹EMC的PCB設(shè)計(jì)技術(shù)。

PCB分層策略

電路板設(shè)計(jì)中厚度、過(guò)孔制程和電路板的層數(shù)不是解決問(wèn)題的關(guān)鍵，優(yōu)良的分層堆疊是保證電源匯流排的旁路和去耦、使電源層或接地層上的瞬態(tài)電壓最小并將信號(hào)和電源的電磁場(chǎng)屏蔽起來(lái)的關(guān)鍵。從信號(hào)走線來(lái)看，好的分層策略應(yīng)該是把所有的信號(hào)走線放在一層或若干層，這些層緊挨著電源層或接地層。對(duì)于電源，好的分層策略應(yīng)該是電源層與接地層相鄰，且電源層與接地層的距離盡可能小，這就是我們所講的“分層”策略。下面我們將具體談?wù)剝?yōu)良的PCB分層策略。

1.布線層的投影平面應(yīng)該在其回流平面層區(qū)域內(nèi)。布線層如果不在其回流平面層地投影區(qū)域內(nèi)，在布線時(shí)將會(huì)有信號(hào)線在投影區(qū)域外，導(dǎo)致“邊緣輻射”問(wèn)題，并且還會(huì)導(dǎo)致信號(hào)回路面積地增大，導(dǎo)致差模輻射增大。

2.盡量避免布線層相鄰的設(shè)置。因?yàn)橄噜彶季€層上的平行信號(hào)走線會(huì)導(dǎo)致信號(hào)串?dāng)_，所以如果無(wú)法避免布線層相鄰，應(yīng)該適當(dāng)拉大兩布線層之間的層間距，縮小布線層與其信號(hào)回路之間的層間距。

3.相鄰平面層應(yīng)避免其投影平面重疊。因?yàn)橥队爸丿B時(shí)，層與層之間的耦合電容會(huì)導(dǎo)致各層之間的噪聲互相耦合。

多層板設(shè)計(jì)

時(shí)鐘頻率超過(guò)5MHz，或信號(hào)上升時(shí)間小于5ns時(shí)，為了使信號(hào)回路面積能夠得到很好的控制，一般需要使用多層板設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)多層板時(shí)應(yīng)注意如下幾點(diǎn)原則：

1.關(guān)鍵布線層(時(shí)鐘線、總線、接口信號(hào)線、射頻線、復(fù)位信號(hào)線、片選信號(hào)線以及各種控制信號(hào)線等所在層)應(yīng)與完整地平面相鄰，優(yōu)選兩地平面之間，如圖1所示。關(guān)鍵信號(hào)線一般都是強(qiáng)輻射或極其敏感的信號(hào)線，靠近地平面布線能夠使其信號(hào)回路面積減小，減小其輻射強(qiáng)度或提高抗干擾能力。

圖1 關(guān)鍵布線層在兩地平面之間

2.電源平面應(yīng)相對(duì)于其相鄰地平面內(nèi)縮(建議值5H～20H)。電源平面相對(duì)于其回流地平面內(nèi)縮可以有效抑制“邊緣輻射”問(wèn)題，如圖2所示。

圖2 電源平面應(yīng)相對(duì)于其相鄰地平面內(nèi)縮

此外，單板主工作電源平面(使用最廣泛的電源平面)應(yīng)與其地平面緊鄰，以有效地減小電源電流的回路面積，如圖3所示。

圖3 電源平面應(yīng)與其地平面緊鄰

3.單板TOP、BOTTOM層是否無(wú)≥50MHz的信號(hào)線。如有，最好將高頻信號(hào)走在兩個(gè)平面層之間，以抑制其對(duì)空間的輻射。

單層板和雙層板設(shè)計(jì)：

對(duì)于單層板和雙層板的設(shè)計(jì)，主要應(yīng)注意關(guān)鍵信號(hào)線和電源線的設(shè)計(jì)。電源走線附近必須有地線與其緊鄰、平行走線，以減小電源電流回路面積。

單層板的關(guān)鍵信號(hào)線兩側(cè)應(yīng)該布“Guide Ground Line”，如圖4所示。雙層板的關(guān)鍵信號(hào)線地投影平面上應(yīng)有大面積鋪地，或者同單層板地處理辦法，設(shè)計(jì)“Guide Ground Line”，如圖5所示。關(guān)鍵信號(hào)線兩側(cè)地“保衛(wèi)地線”一方面可以減小信號(hào)回路面積，另外，還可以防止信號(hào)線與其他信號(hào)線之間地串?dāng)_。

圖4 單層板的關(guān)鍵信號(hào)線兩側(cè)布“Guide Ground Line”

圖5 雙層板的關(guān)鍵信號(hào)線地投影平面上大面積鋪地

總的來(lái)說(shuō)，PCB板的分層可以依據(jù)下表來(lái)設(shè)計(jì)。

PCB布局技巧

PCB布局設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分遵守沿信號(hào)流向直線放置的設(shè)計(jì)原則，盡量避免來(lái)回環(huán)繞，如圖6所示。這樣可以避免信號(hào)直接耦合，影響信號(hào)質(zhì)量。此外，為了防止電路之間、電子元器置和元器件的布局應(yīng)遵從如下原則：

圖6 電路模塊沿信號(hào)流向直線放置

1.單板上如果設(shè)計(jì)了接口“干凈地”，則濾波、隔離器件應(yīng)放置在“干凈地”和工作地之間的隔離帶上。這樣可以避免濾波或隔離器件通過(guò)平面層互相耦合，削弱效果。此外，“干凈地”上，除了濾波和防護(hù)器件之外，不能放置任何其他器件。

2.多種模塊電路在同一PCB上放置時(shí)，數(shù)字電路與模擬電路、高速與低速電路應(yīng)分開(kāi)布局，以避免數(shù)字電路、模擬電路、高速電路以及低速電路之間的互相干擾。另外，當(dāng)線路板上同時(shí)存在高、中、低速電路時(shí)，為了避免高頻電路噪聲通過(guò)接口向外輻射，應(yīng)該遵從圖7中的布局原則。

圖7 高、中、低速電路布局原則

3.線路板電源輸入口的濾波電路應(yīng)應(yīng)靠近接口放置，避免已經(jīng)經(jīng)過(guò)了濾波的線路被再次耦合。

圖8 電源輸入口的濾波電路應(yīng)應(yīng)靠近接口放置

4.接口電路的濾波、防護(hù)以及隔離器件靠近接口放置，如圖9所示，可以有效的實(shí)現(xiàn)防護(hù)、濾波和隔離的效果。如果接口處既有濾波又有防護(hù)電路，應(yīng)該遵從先防護(hù)后濾波的原則。因?yàn)榉雷o(hù)電路是用來(lái)進(jìn)行外來(lái)過(guò)壓和過(guò)流抑制的，如果將防護(hù)電路放置在濾波電路之后，濾波電路會(huì)被過(guò)壓和過(guò)流損壞。此外，由于電路的輸入輸出走線相互耦合時(shí)會(huì)削弱濾波、隔離或防護(hù)效果，布局時(shí)要保證濾波電路(濾波器)、隔離以及防護(hù)電路的輸入輸出線不要相互耦合。

圖9 接口電路的濾波、防護(hù)以及隔離器件靠近接口放置

5.敏感電路或器件(如復(fù)位電路等)遠(yuǎn)離單板各邊緣特別是單板接口側(cè)邊緣至少1000mil。

6.存在較大電流變化的單元電路或器件(如電源模塊的輸入輸出端、風(fēng)扇及繼電器)附近應(yīng)放置儲(chǔ)能和高頻濾波電容，以減小大電流回路的回路面積。

7.濾波器件需并排放置，以防止濾波后的電路被再次干擾。

8.晶體、晶振、繼電器、開(kāi)關(guān)電源等強(qiáng)輻射器件遠(yuǎn)離單板接口連接器至少1000mil。這樣可將干擾直接向外輻射或在外出電纜上耦合出電流來(lái)向外輻射。

PCB布線規(guī)則

除了元器件的選擇和電路設(shè)計(jì)之外，良好的印制電路板(PCB)布線在電磁兼容性中也是一個(gè)非常重要的因素。既然PCB是系統(tǒng)的固有成分，在PCB布線中增強(qiáng)電磁兼容性不會(huì)給產(chǎn)品的最終完成帶來(lái)附加費(fèi)用。

任何人都應(yīng)記住一個(gè)拙劣的PCB布線能導(dǎo)致更多的電磁兼容問(wèn)題，而不是消除這些問(wèn)題，在很多例子中，就算加上濾波器和元器件也不能解決這些問(wèn)題。到最后，不得不對(duì)整個(gè)板子重新布線。因此，在開(kāi)始時(shí)養(yǎng)成良好的PCB布線習(xí)慣是最省錢(qián)的辦法。下面將對(duì)PCB布線的一些普遍規(guī)則和電源線、地線及信號(hào)線的設(shè)計(jì)策略進(jìn)行介紹，最后，根據(jù)這些規(guī)則，對(duì)空氣調(diào)節(jié)器的典型印制電路板電路提出改進(jìn)措施。

1. 布線分離

布線分離的作用是將PCB同一層內(nèi)相鄰線路之間的串?dāng)_和噪聲耦合最小化。3W規(guī)范表明所有的信號(hào)(時(shí)鐘，視頻，音頻，復(fù)位等等)都必須象圖10所示那樣，在線與線，邊沿到邊沿間予以隔離。為了進(jìn)一步的減小磁耦合，將基準(zhǔn)地布放在關(guān)鍵信號(hào)附近以隔離其他信號(hào)線上產(chǎn)生的耦合噪聲。

圖10線跡隔離

2. 保護(hù)與分流線路

設(shè)置分流和保護(hù)線路是對(duì)關(guān)鍵信號(hào)，比如對(duì)在一個(gè)充滿(mǎn)噪聲的環(huán)境中的系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行隔離和保護(hù)的非常有效的方法。在圖21中，PCB內(nèi)的并聯(lián)或者保護(hù)線路是沿著關(guān)鍵信號(hào)的線路布放。保護(hù)線路不僅隔離了由其他信號(hào)線上產(chǎn)生的耦合磁通，而且也將關(guān)鍵信號(hào)從與其他信號(hào)線的耦合中隔離開(kāi)來(lái)。分流線路和保護(hù)線路之間的不同之處在于分流線路不必被端接(與地連接)，但是保護(hù)線路的兩端都必須連接到地。為了進(jìn)一步的減少耦合，多層PCB中的保護(hù)線路可以每隔一段就加上到地的通路。

圖11分流和保護(hù)線路

3.電源線設(shè)計(jì)

根據(jù)印制線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻。同時(shí)、使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。在單面板或雙面板中，如果電源線走線很長(zhǎng)，應(yīng)每隔3000mil對(duì)地加去耦合電容，電容取值為10uF+1000pF。

4.地線設(shè)計(jì)

地線設(shè)計(jì)的原則是：

(1)數(shù)字地與模擬地分開(kāi)。若線路板上既有邏輯電路又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開(kāi)。低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而粗，高頻元件周?chē)M量用柵格狀大面積地箔。

(2)接地線應(yīng)盡量加粗。若接地線用很韌的線條，則接地電位隨電流的變化而變化，使抗噪性能降低。因此應(yīng)將接地線加粗，使它能通過(guò)三倍于印制板上的允許電流。如有可能，接地線應(yīng)在2~3mm以上。

(3)接地線構(gòu)成閉環(huán)路。只由數(shù)字電路組成的印制板，其接地電路布成團(tuán)環(huán)路大多能提高抗噪聲能力。

5.信號(hào)線設(shè)計(jì)

對(duì)于關(guān)鍵信號(hào)線，如果單板有內(nèi)部信號(hào)走線層，則時(shí)鐘等關(guān)鍵信號(hào)線布在內(nèi)層，優(yōu)先考慮優(yōu)選布線層。另外，關(guān)鍵信號(hào)線一定不能跨分割區(qū)走線，包括過(guò)孔、焊盤(pán)導(dǎo)致的參考平面間隙，否則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)回路面積的增大。而且關(guān)鍵信號(hào)線應(yīng)距參考平面邊沿≥3H(H為線距離參考平面的高度)，以抑制邊緣輻射效應(yīng)。

對(duì)于時(shí)鐘線、總線、射頻線等強(qiáng)輻射信號(hào)線和復(fù)位信號(hào)線、片選信號(hào)線、系統(tǒng)控制信號(hào)等敏感信號(hào)線，應(yīng)遠(yuǎn)離接口外出信號(hào)線。從而避免強(qiáng)輻射信號(hào)線上的干擾耦合到外出信號(hào)線上，向外輻射;也避免接口外出信號(hào)線帶進(jìn)來(lái)的外來(lái)干擾耦合到敏感信號(hào)線上，導(dǎo)致系統(tǒng)誤操作。

對(duì)于差分信號(hào)線應(yīng)同層、等長(zhǎng)、并行走線，保持阻抗一致，差分線間無(wú)其它走線。因?yàn)楸ＷC差分線對(duì)的共模阻抗相等，可以提高其抗干擾能力。

根據(jù)以上布線規(guī)則，對(duì)空氣調(diào)節(jié)器的典型印制電路板電路進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，如圖12所示。

圖12 改進(jìn)空氣調(diào)節(jié)器的典型印制電路板電路

總體來(lái)說(shuō)，PCB設(shè)計(jì)對(duì)EMC的改善是：在布線之前，先研究好回流路徑的設(shè)計(jì)方案，就有最好的成功機(jī)會(huì)，可以達(dá)成降低EMI輻射的目標(biāo)。而且在還沒(méi)有動(dòng)手實(shí)際布線之前，變更布線層等都不必花費(fèi)任何錢(qián)，是改善EMC最便宜的做法。