PCB板中的電磁兼容詳解

1、PCB板中的電磁兼容詳解PCB 板設(shè)計(jì)的開始階段就是層的設(shè)置,層設(shè)置不合理可能產(chǎn)生諸多的噪聲而形成電磁干擾和自身的EMC 問(wèn)題,所以合理的層布局對(duì)電磁兼容性而言是十分重要的。PCB板層由電源層、地線層和信號(hào)層組成。層的選擇、層的相對(duì)位置以及電源、地平面的分割、PCB 板的布線、信號(hào)質(zhì)量、接口電路的處理等都對(duì)PCB 板的EMC 指標(biāo)起著至關(guān)重要的作用,也直接影響到整臺(tái)電子產(chǎn)品的電磁兼容性。 層數(shù)的選擇單板由電源層、地層和信號(hào)層組成；層數(shù)也就是他們各自的數(shù)量總和。根據(jù)單板的電源、地的種類、信號(hào)線的密集程度、信號(hào)頻率、特殊布線要求的信號(hào)數(shù)量、周邊要素、成本價(jià)格等方面的綜合因素來(lái)確定單板的層數(shù)。要滿足

2、EMC的嚴(yán)格指標(biāo)并且考慮制造成本，適當(dāng)增加地平面是PCB的EMC設(shè)計(jì)最好的方法之一。單板電源的層數(shù)由電源的種類、數(shù)量決定。對(duì)于單一電源供電的PCB，只需一個(gè)電源平面；對(duì)于多種電源，如需互不交錯(cuò)，可考慮采取電源層分割；對(duì)于電源互相交錯(cuò)的單板，需要多種電源供電，且互相交錯(cuò)，則必須考慮采用兩層或兩層以上的電源平面。通常來(lái)說(shuō)，信號(hào)層數(shù)的確定由單板的功能決定。大多數(shù)有經(jīng)驗(yàn)的CAD工程師通常由EDA軟件提供布局、布線密度的參數(shù)報(bào)告，再結(jié)合板級(jí)工作頻率、特殊布線要求的信號(hào)數(shù)量以及單板的性能指標(biāo)與成本承受能力，來(lái)確定單板的信號(hào)層數(shù)。對(duì)信號(hào)層而言,除了考慮信號(hào)線的走線密集度外,從EMC的角度，需要考慮關(guān)鍵信號(hào)（

3、如時(shí)鐘、復(fù)位信號(hào)等）的屏蔽或隔離來(lái)確定是否增加單板層數(shù)。 單面板和雙面板雖然制造簡(jiǎn)單、裝配調(diào)試方便,但只適用于一般電路要求,不適用于高組裝密度或復(fù)雜電路的場(chǎng)合。尤其是高速數(shù)字電路、數(shù)?；旌想娐返腜CB。由于沒(méi)有好的參考平面,環(huán)路面積增大而使輻射增強(qiáng),平行走線也不可避免。就EMC 要求而言,如果成本允許,在PCB設(shè)計(jì)時(shí)盡量不選擇單面板或雙面板。 層的布局PCB 的層排列也是有原則的,合理排列各層對(duì)PCB的抗干擾能力十分有益。PCB 設(shè)計(jì)中層排列的一些基本原則如下。將電源平面與地平面相鄰。這樣可形成耦合電容，并與PCB板上的去耦電容一起降低電源平面的阻抗，同時(shí)獲得較寬的濾波效果。參考面的選擇應(yīng)優(yōu)選

4、地平面電源、地平面均能用作參考平面，且有一定的屏蔽作用。但從屏蔽角度考慮，地平面一般均作接地處理，并作為基準(zhǔn)電平參考點(diǎn)，其屏蔽效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于電源平面。相鄰層的關(guān)鍵信號(hào)不跨分割區(qū)。否則將形成較大的信號(hào)環(huán)路，產(chǎn)生強(qiáng)的輻射和敏感度問(wèn)題。元件面下面有相對(duì)完整的地平面對(duì)多層板必須盡可能保持地平面的完整，通常不允許有信號(hào)線在地平面上走線。當(dāng)走線層布線密度太大時(shí)，可考慮在電源平面的邊緣走線。高頻、高速、時(shí)鐘等關(guān)鍵信號(hào)有一相鄰地平面這樣設(shè)計(jì)的信號(hào)線與地線間的距離僅為線路板層間的距離，高頻電路將選擇環(huán)路面積最小的路徑流動(dòng)，因此實(shí)際的電流總在信號(hào)線正下方的地線流動(dòng)，形成最小的信號(hào)環(huán)路面積，從而減小輻射。在高速電路設(shè)

5、計(jì)中，避免電源平面層向自由空間輻射能量在這樣的設(shè)計(jì)中，所有的電源平面必須小于地平面，向內(nèi)縮進(jìn)20H（H指相鄰電源、地平面間的介質(zhì)厚度）。為了更好地實(shí)行20H規(guī)則，就要使電源和地平面間的厚度最小。 多層印制板的布局一般原則： 電源平面應(yīng)靠近接地平面, 并且安排在接地平面之下。 布線層應(yīng)安排與整塊金屬平面相鄰。 把數(shù)字電路和模擬電路分開, 有條件時(shí)將數(shù)字電路和模擬電路安排在不同層內(nèi)。如果一定要安排在同一層, 可采用開溝、加接地線條、分隔等方法補(bǔ)救。模擬的和數(shù)字的地、電源都要分開, 不能混用。數(shù)字信號(hào)有很寬的頻譜, 是產(chǎn)生干擾的主要來(lái)源。在中間層的印制線條形成平面波導(dǎo), 在表面層形成微帶線, 兩者傳

6、輸特性不同。時(shí)鐘電路和高頻電路是主要的干擾和輻射源, 一定要單獨(dú)安排、遠(yuǎn)離敏感電路。不同層所含的雜散電流和高頻輻射電流不同, 布線時(shí), 不能同等看待。多層印制板設(shè)計(jì)中有兩個(gè)基本原則用來(lái)確定印制線條間距和邊距：20H原則 為減小印制板向空間輻射電磁能量這個(gè)效應(yīng)，在地線層的邊緣、包括不同性質(zhì)的地線層（例如，數(shù)字地與模擬地）的分界處，地線層要比電源層、信號(hào)層外延出至少20H，這里H表示地線層與信號(hào)層或電源層之間的距離，如圖826所示。并且，關(guān)鍵線不要布在地線層的邊緣。如果在信號(hào)層的邊緣設(shè)置一圈地線（相當(dāng)于一個(gè)護(hù)欄），并將這圈地線與地線層用間隔較密的過(guò)孔連接起來(lái)，會(huì)更好地降低輻射。根據(jù)20H原則，按照

7、一般典型印制板尺寸，20H一般為3mm左右。20H規(guī)則3W原則 當(dāng)兩條印制線間距比較小時(shí)，兩線之間會(huì)發(fā)生電磁串?dāng)_，為避免發(fā)生這種干擾，應(yīng)保持任何線條間距不小于3倍的印制線條寬度，即不小于3W，W為印制線路的寬度，如圖827所示。當(dāng)線中心距不少于3倍線寬時(shí)，則可保持70%的電場(chǎng)不互相干擾，稱為3W規(guī)則。如要達(dá)到98%的電場(chǎng)不互相干擾，可使用10W規(guī)則。印制線條的寬度取決于線條阻抗的要求，太寬會(huì)減少布線的密度，增加成本；大窄會(huì)影響傳輸?shù)浇K端的信號(hào)的波形和強(qiáng)度。3W規(guī)則在定義多層線路板的每一層時(shí)，需遵循以下原則：電源層和地線層相鄰。利用兩層銅箔之間的雜散電容可獲得良好的高頻電源解耦效果。如果能在電源

8、層與地線層之間使用介電常數(shù)高的絕緣介質(zhì)，增加兩層之間的電容，可獲得更滿意的結(jié)果。每層信號(hào)線都應(yīng)該與一層地線層或電源層相鄰，這樣可以使所有信號(hào)環(huán)路的面積最小，高速時(shí)鐘信號(hào)線要與地線層相鄰。目前，多層板應(yīng)用越來(lái)越普遍，其中應(yīng)用較多的有四層板，六層板和八層板.（1）四層板四層板是最簡(jiǎn)單的一種多層板，與雙層板相比，它能對(duì)線路板的電磁兼容性起到本質(zhì)性改善。在四層板中，用中間的兩層專門做電源層和地線層（如圖828所示）。這樣做的第一個(gè)好處是使電源線和地線的性能大大改善。 原因有兩個(gè)：一是使電源線和地線的電感大大減小，從而大大降低了電源線和地線上的噪聲電壓；另一個(gè)是電源線層與地線層之間的分布電容為電源提供了

9、非常好的高頻解耦作用，從而減小了電源線上的噪聲電壓。四層板的布局四層板改善線路板電磁兼容性的另外一個(gè)原因是，減小了所有高頻信號(hào)電流的環(huán)路面積。高頻電流總是選擇環(huán)路面積最小的路徑流動(dòng)，而在四層板上，實(shí)際的高頻電流總是在信號(hào)線正下方的地線面上流動(dòng)，自然就形成了最小的信號(hào)環(huán)路面積。低頻信號(hào)雖然不一定在信號(hào)電流的正下方返回信號(hào)源，它是選擇電阻最小的路徑，但低頻信號(hào)的差模輻射較?。ㄈ鐖D829所示），況且，在許多電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)30MHz以下的輻射發(fā)射并沒(méi)有限制。四層線路板上的地線電流四層板的常規(guī)使用方法是中間兩層分別為地線層和電源層。為了進(jìn)一步降低線路板的輻射，這種方法獲得的好處并不顯著，卻帶來(lái)了下列一

10、些反面效果：兩層信號(hào)層上的走線必須垂直，否則由于距離很近，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的串?dāng)_；在地線層上要打很多過(guò)孔，這些過(guò)孔本來(lái)如果使用表面安裝器件是可以避免的，這對(duì)地線層的破壞作用不容忽視；信號(hào)線的特性阻抗變低，增加了驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)載；看不到信號(hào)走線，不利于分析電路問(wèn)題。在器件密度很高的場(chǎng)合，以及軍用設(shè)備、宇航設(shè)備等場(chǎng)合，需要使用層數(shù)更多的線路板。四層板的疊層布線（參見圖830）高速總線、時(shí)鐘線應(yīng)最好放于L4上。 第1層上的高速總線或時(shí)鐘線不要穿越電源分割區(qū)域或Moat 區(qū)域。 時(shí)鐘發(fā)生器下面的區(qū)域（L1層）應(yīng)使用經(jīng)過(guò)濾波的電源分割區(qū)域供電，使用盡可能寬的走線連接到I C 的管腳。 如時(shí)鐘信號(hào)從L1到L4層間

11、躍變，在信號(hào)Via孔旁須有一個(gè)地Via孔（小于1.22mm），躍變應(yīng)處于第L2層上的地島上。時(shí)鐘信號(hào)從L1到L4的層間躍變，在每個(gè)躍變的Via孔處應(yīng)有一個(gè)去耦電容。電容應(yīng)盡可能靠近Via 孔，小于200mils。四層板布線表列出了四層板的幾種布局方案四層板布局方案S為信號(hào)線層，G為地線層，P為電源層（2）六層板六層板的疊層布線（參見圖831）高速總線/ 時(shí)鐘線應(yīng)放在高速區(qū)1。L3 上的高速總線/ 時(shí)鐘線應(yīng)避免穿過(guò)L4 的電源分割區(qū)域。盡量避免高速區(qū)之間的總線/時(shí)鐘線的躍變，如果必需，不應(yīng)超過(guò)兩次。穿過(guò)C-Plane 的躍變保持最小數(shù)量（會(huì)降低C-Plane 的效果）。如果高速總線需要在高速區(qū)之

12、間躍變，必須在盡可能靠近信號(hào)Via孔的地方放置地Via 孔（50mils 之內(nèi)）,一個(gè)地孔對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)孔，且地孔不應(yīng)用作其它用途（如去耦）。在L1 層上的時(shí)鐘發(fā)生器下面區(qū)域應(yīng)包括一個(gè)地島，使用盡可能寬的走線接至IC 芯片的管腳。時(shí)鐘發(fā)生器的電源應(yīng)使用濾波的分割電源供電。六層板布線表列出了六層板的幾種布局方案六層板布局方案S為信號(hào)線層，G為地線層，P為電源層（3）八層板八層板的疊層布線（參見圖832）高速總線/ 時(shí)鐘線應(yīng)放在高速區(qū)1。L3 上的高速總線/ 時(shí)鐘線應(yīng)避免穿過(guò)L4的電源分割. L6上的高速總線/ 時(shí)鐘線應(yīng)避免穿過(guò)L5 層的電源分割區(qū)域。盡量避免高速區(qū)之間的總線/時(shí)鐘線的躍變，如果必需

13、，不應(yīng)超過(guò)兩次。穿過(guò)C-Plane 的躍變保持最小數(shù)量（否則會(huì)降低C-Plane 的效果）。如果高速總線需要在高速區(qū)之間躍變，必須在盡可能靠近信號(hào)孔的地方放置地 孔（50mils 之內(nèi)）, 一個(gè)地孔對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)孔， 且地孔不應(yīng)用作其它用途（如去耦）。在時(shí)鐘發(fā)生器下面區(qū)域應(yīng)包括一個(gè)地島，使用盡可能寬的走線接至IC 芯片的管腳。時(shí)鐘發(fā)生器的電源應(yīng)來(lái)自于濾波的電源分割供電。八層板的布線表列出了八層板的幾種布局方案八層板布局方案S為信號(hào)線層，G為地線層，P為電源層元器件的布局在PCB板布線之前首先要把元器件布在電路板上，元器件的布局在很大程度上決定了信號(hào)走線?，F(xiàn)今大多數(shù)的電路板設(shè)計(jì)都是子功能和功能區(qū)的

14、合并。通常情況下，不同電壓的器件要分開，按照功能來(lái)說(shuō)，電路板上的處理部分、控制部分、接口部分、電源部分、模擬部分、數(shù)字部分、低頻部分、高頻部分等等要分得很清楚，各自之間不要產(chǎn)生干擾。如圖833所示。元器件布局在元器件布局時(shí)，除了要注意不同功能區(qū)要分開外，還要注意元器件的布局要有效降低電路的溫升，通常對(duì)溫度比較敏感的器件最好放在電路板中溫度最低的地方。為了減少大功率器件對(duì)其它器件溫度的影響和縮短傳熱途徑，大功率器件要盡量靠近電路板的邊沿。（1）確定元件的位置按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置, 使布局便于信號(hào)流通, 并使信號(hào)盡可能保持一致的方向;以每個(gè)功能電路的核心元件為中心, 圍繞它來(lái)進(jìn)

15、行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊和緊湊地排列在PCB 上, 盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接; 在高頻下工作的電路, 要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列, 有利于美觀、裝焊及批量生產(chǎn);位于電路板邊緣的元器件, 離電路板邊緣一般不小于2 mm , 電路板的最佳形狀為矩形, 長(zhǎng)寬比為32 或43, 電路板面尺寸大于200 mm ×150mm 時(shí), 應(yīng)考慮電路板所受的機(jī)械強(qiáng)度;盡可能縮短高頻元器件之間的連線, 設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近, 輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離;某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差, 應(yīng)加大它們

16、之間的距離, 以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方;質(zhì)量超過(guò)15 g 的元器件應(yīng)當(dāng)用支架加以固定, 然后焊接。那些又大又重、發(fā)熱量多的元器件, 不宜裝在印制板上, 而應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上, 且應(yīng)考慮散熱問(wèn)題。熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件;對(duì)于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動(dòng)開關(guān)等可調(diào)元件的布局應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求。若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié), 應(yīng)放在印制板上便于調(diào)節(jié)的地方; 若是機(jī)外調(diào)節(jié), 其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱面板上的位置相適應(yīng);應(yīng)留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。（2）特殊器件的處理某些特殊器件例如鎖相環(huán),對(duì)噪音干擾特別敏感,他們需要更高層次的隔離。解決的方

17、法是在敏感器件周圍的電源銅箔上蝕刻出馬蹄形絕緣溝槽,如圖834所示。特殊器件的處理該器件使用的所有信號(hào)進(jìn)出都通過(guò)狹窄的馬蹄形根部的開口。噪音電流必然在開口周圍經(jīng)過(guò)而不會(huì)接近敏感部分。這種設(shè)計(jì)方法可以避免能夠引起干擾的噪音信號(hào)的產(chǎn)生,確保所有其他信號(hào)都遠(yuǎn)離被隔離的部分。特殊器件的處理原則：在印制板中有接觸器、繼電器和按鈕等元件時(shí), 操作它們時(shí)均會(huì)產(chǎn)生較大火花放電, 必須采用RC 電路來(lái)吸收放電電流。一般R 取1 2 k8 , C 取2. 2 47 LF;CMOS的輸入阻抗很高, 易受感應(yīng), 因此在使用時(shí)對(duì)不用端要接地或接正電源;選用外時(shí)鐘頻率低的微控制器可以有效降低噪聲和提高系統(tǒng)的抗干擾能力。為

18、減小信號(hào)傳輸中的畸變, 信號(hào)在印制板上傳輸, 其延遲時(shí)間不應(yīng)大于所用器件的標(biāo)稱延遲時(shí)間;注意印制板與元器件的高頻特性。在高頻情況下, 印制線路板上的引線、過(guò)孔、電阻、電容和接插件的分布電感與電容等不可忽略。（3）元器件布局時(shí)的其他基本原則 連接器及其引腳應(yīng)根據(jù)元器件在板上的位置確定。所有連接器最好放在印制板的一側(cè),盡量避免從兩側(cè)引出電纜,以便減小共模電流輻射。I/ O 驅(qū)動(dòng)器應(yīng)緊靠連接器,避免I/ O 信號(hào)在板上長(zhǎng)距離走線,耦合不必要的干擾信號(hào)。當(dāng)高速數(shù)字集成芯片與連接器之間沒(méi)有直接的信號(hào)交換時(shí),高速數(shù)字集成芯片應(yīng)安排在遠(yuǎn)離連接器處。如果高速器件必須與連接器相連,則應(yīng)把高速器件放在連接器處,盡量縮短走線,然后在稍遠(yuǎn)處安放中速器件,最遠(yuǎn)處安放低速器件。高速器件( 頻率大于10