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          EMC控制的好,PCB設計這些方法先收好!

          時鐘速度的提升加上高頻率總線以及更高的接口數據速率使得PC電路板設計的挑戰性顯著提高。工程師必須超越板上實際邏輯的設計,還要考慮其它可能影響電路的因素,包括電路板的尺寸、環境噪聲、功耗和電磁兼容性(EMC)等硬件工程師應在PC電路板設計階段解決EMC問題,確保系統不會受到EMC故障的影響。

          良好的接地設計

          EDA365電子論壇

          低電感接地系統是最大限度減少EMC問題的最重要因素。最大限度地增加PC電路板上的接地面積可降低系統接地電感,進而減少電磁輻射和串擾。

          串擾可存在于電路板上的任何兩條布線之間,取決于互電感和互電容,與布線之間的距離、邊緣速率和布線阻抗成正比。

          在數字系統中,互電感產生的串擾通常大于互電容產生的串擾。通過增加布線之間的間距或減少到接地層的距離可降低互電感。

          信號連接到地的方法各種各樣。組件隨機連接到接地點的電路板設計會生成高接地電感,并引發不可避免的EMC問題。我們建議采用全鋪地層,這能在電流返回源極時最大限度地減小阻抗,不過接地層還需要專用的PC電路板層,這對于雙層電路板而言或許是不現實的。

          因此,我們建議設計人員采用接地柵格,如圖1a所示。在此情況下,接地的電感取決于柵格之間的間距。

          此外,信號返回系統接地的方式也很重要。信號路徑如果較長,就會產生接地回路,進而形成天線并輻射能量。因此,所有將電流帶回源極的布線都應選擇最短路徑,而且應直接到接地層。

          圖1:如果不能采用專用的接地層,則可使用接地柵格代替(1a)

          連接所有不同接地并將它們連接到接地層的做法并不可取,這不但會增加電流回路的大小,而且會增加接地反彈的可能性。圖1b提出了將組件連接到接地層的推薦方法。

          減少EMC相關的問題還有一個好方法,就是讓接地與電路板的完整邊緣拼接在一起,形成法拉第籠,從而不會把任何信號路由到界限之外(圖1c)。這種方法能把電路板的輻射限制在界限以內區域,避免外部輻射干擾電路板上的信號。

          從EMC的角度來看,各層的適當安排也很重要。如果使用的層數超過兩層,那么要用一個完整的層作為接地層。如果采用四層電路板,那么接地層下面的一層應作為電源層。

          必須注意接地層的位置應在高頻信號布線和電源層之間。如果使用雙層電路板,完整的接地層不可能實現,那么可采用接地柵格。如果不使用單獨的電源層,那么接地布線應與電源布線平行,以確保電源清潔。

          布局指南

          EDA365電子論壇

          為了讓設計免受EMC的影響,電路板上的組件必須根據功能進行分類(模擬、數字、電源部分、低速電路、高速電路等)。每類的布線應在指定區域內,在子系統的邊界處應使用濾波器。

          應對數字電路問題時,必須特別注意時鐘和其它高速信號。連接這種信號的布線應盡可能短,而且應與接地層相鄰,從而保持輻射和串擾可以得到控制。

          對于這種信號而言,工程師必須避免在電路板邊緣或附近連接器處使用過孔或布線。此外,信號還必須遠離電源層,因為這會引起電源層噪聲。傳輸差分信號的布線應盡量靠近彼此,從而可最有效地發揮磁場消除功能。

          從源極向器件傳輸時鐘信號的布線應有匹配終端,只要阻抗不匹配,就會出現信號反射問題。如果不注意處理反射信號問題,大量能量就會輻射出去。不同形式的有效終端包括源點、端點和AC終端等。

          對于面向振蕩器的布線而言,除接地外的其它布線不應與振蕩器或其布線平行或在其下方運行。此外,晶體也應靠近所需的芯片。

          由于返回電流總沿著最低電抗的路徑走,因此傳輸電流的接地布線應靠近傳輸相關信號的布線,從而保持電流回路盡可能的短。

          傳輸模擬信號的布線應與高速或開關信號分開,而且必須用接地信號進行保護。必須始終采用低通濾波器來去除周邊模擬布線耦合的高頻噪聲。

          此外,模擬和數字子系統的接地層不能共享。

          屏蔽

          EDA365電子論壇

          電源上的任何噪聲都可能影響工作中的器件功能。通常來說,耦合在電源上的噪聲頻率高,因此需要旁路電容或去耦電容進行濾波。

          去耦電容為電源層到接地的高頻電流提供低阻抗路徑。電流流經路徑至接地,這個路徑形成了接地回路。該路徑應保持盡可能低的電平,為此可讓去耦電容盡可能地靠近IC。

          大型接地回路增加了輻射,可能是EMC故障的潛在來源。頻率越高,理想電容的電抗越趨近于零,市場上也不存在所謂真正理想的電容。

          鉛和IC封裝也會增加電感。具有低等效串行電感的多個電容可用來提高去耦效果。

          許多EMC相關的問題都是由傳輸數字信號的電纜造成的,這些電纜實際發揮著高效天線的作用。理想情況下,進入電纜的電流會在另一端流出,但實際上寄生電容和電感會造成輻射問題。

          采用雙絞線電纜有助于最大限度地減小耦合問題,可消除任何感應磁場。如果使用帶狀電纜,就必須提供多個接地返回路徑。對于高頻信號而言,必須使用屏蔽電纜,而且接地屏蔽要連接在電纜的頭尾處。

          屏蔽就是一種封閉導電容器的形式,通過減弱輻射波的E場和H場來降低EMI。可連接于接地,能通過吸收和反射部分輻射有效減小回路天線的尺寸。這樣,屏蔽也能作為兩區之間的分割,減弱一區向另一區的能量輻射。

          最后,屏蔽不是電氣解決方案,而是一種降低EMC的機械方法。金屬封裝(導電和/或磁性材料)可用來避免系統發出EMI。我們可用屏蔽覆蓋整個系統或部分系統,具體取決于相關要求。

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