- 基于電磁兼容技術(shù)PCB板的設(shè)計研究
- 采用新的設(shè)計手段
- 利用成熟的安裝工藝
1電磁兼容
電磁兼容(EMC)是一門綜合性學(xué)科,主要研究電磁干擾和抗干擾的問題。電磁兼容性是指電子設(shè)備或系統(tǒng)在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下,不因電磁干擾而降低性能,同時它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于檢定的極限電平,不影響其它電子設(shè)備或系統(tǒng)的正常運行,并達到設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互不干擾、共同可靠地工作的要求。電磁兼容性 (EMC)包括兩個方面:產(chǎn)品的電磁輻射性和抗電磁干擾性口一個好的電子產(chǎn)品必須考慮電磁兼容問題,既不能有電磁輻射干擾其他電子設(shè)備,又要有較低的電磁敏感度,能抵抗規(guī)定的電磁干擾。電磁干擾是電磁騷擾引起的后果,它會使電子設(shè)備、傳輸通道、系統(tǒng)和印刷板組裝件的性能下降。印刷板作為電子設(shè)備的基礎(chǔ)部件,使用中同樣存在電場和磁場,有電、磁場存在就有電磁兼容問題,尤其是現(xiàn)代電子設(shè)備中大量采用數(shù)字電路、高速邏輯電路,信號的傳輸速度大大提高,這也增大了引起電磁輻射和受電磁干擾的因素,所以考慮電磁兼容問題是印刷電路板設(shè)計的重要內(nèi)容。
2印刷電路板上抑制電磁干擾設(shè)計
由于PCB上的電子器件和線路的密集度不斷增加,而信號的頻率也不斷提高,不可避免地會引入E訛(電磁兼容)和陰I(電磁干擾)的問題。
外部的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾對PCB上的電路基本無影響,實際上在設(shè)計中采取正確的措施常常能同時起到抗干擾和抑制發(fā)射的作用。在設(shè)計印刷電路板時,首先要根據(jù)實際需要,選擇合適的印制板類型(板材和板層),然后是確定元器件在板上的位置,再依次布局,設(shè)計地線、信號線。
2.1印刷電路板的選取
印刷電路板有單面、雙面和多層板之分。單面和雙面板一般用于低、中密度布線的電路和集成度較低的電路。多層板適用于高密度布線、高集成度芯片的高速數(shù)字電路。從電磁兼容的角度來說,多層板可以減小線路板的電磁輻射并提高線路板的抗干擾能力。因為在多層板中,可以設(shè)置專門的電源層和地層,使信號線與地線之間的距離僅為線印刷電路板的層間距離。這樣板上所有信號的回路面積就可以降至最小,從而有效減小差模輻射。
2.2元器件的布局
設(shè)計印刷電路板不僅僅是簡單地將各個元器件之間用印制導(dǎo)線連接起來,更重要的是應(yīng)當(dāng)考慮電路的特點和要求,正確的擺放元器件
l)按電路單元和相互有連接關(guān)系的元器件應(yīng)靠近布局。以減少元器件之間的走線和連線的長度,減低輻射和干擾。
2)按電路工作頻率或器件的開關(guān)速度的相對高低分區(qū)布局,從I/0端向板的遠端電路工作頻率依次降低分布,在較高頻率區(qū)內(nèi),高速震蕩器件不應(yīng)靠近工/0端。
3)容易產(chǎn)生電磁輻射的元器件(如:時鐘、震蕩器等),遠離電磁敏感器件或走線,必要時采取電磁屏蔽措施。
2.3信號線的布局
信號線的布置最好根據(jù)信號的流向順序安排,使電路板上的信號走向流暢。不相容的信號線應(yīng)相互遠離,不要平行走線。同一層上的信號線保持一定間距,最好以相應(yīng)地線回路隔離,減少線間信號串?dāng)_。分布在不同層上的信號線走向應(yīng)相互垂直,這樣可以減少線間的電場和磁場禍合干擾。高速信號的回路面積盡可能小,以免發(fā)生輻射干擾。
1)高速信號線盡可能放在同一層,不要換層:2)使信號線平滑過度,避免由于線寬突變引起信號反射:3)印制線不要一部分緊鄰地線走,一部分不緊鄰造成阻抗突變;4)信號線不要離印制板邊緣太近,否則會引起特征阻抗變化,而且容易產(chǎn)生邊緣場,增加向外的輻射:5)對于導(dǎo)線特性阻抗要求嚴格的信號線,應(yīng)采用帶狀線或微帶線的布線形式,有利于導(dǎo)線寬度、厚度和絕緣層厚度調(diào)整特性阻抗;6)當(dāng)電路的工作頻率超過SMHz或器件的邊沿數(shù)率超過sns時,應(yīng)優(yōu)先選用多層板,有利于降低電磁干擾;7)高速信號傳輸線路中過孔盡量少,并且孔徑小,有利于降低孔的寄生電容,通常采用小孔徑的過孔、埋孔或盲孔。
2.4地線布局
1)將數(shù)字電路與模擬電路分開。電路板上既有高速邏輯電路,又有線性電路,應(yīng)使它們盡量分開,兩者的地線不要相混,分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。
2)正確選擇單點接地與多點接地。在低頻電路中,信號的工作頻率小于1陽z,它的布線和器件間的電感影響較小,而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大,因而應(yīng)采用一點接地。當(dāng)信號工作頻率大于10MHz時,地線阻抗變得很大,此時應(yīng)盡量降低地線阻抗,應(yīng)采用就近多點接地。
3)盡量加粗接地線。若接地線很細,接地電位則隨電流的變化而變化,致使電子設(shè)備的定時信號電平不穩(wěn),抗噪聲性能變壞。因此應(yīng)將接地線盡量加粗,使它能通過三倍于印制電路板的允許電流。
4)地線上的隔離孔不應(yīng)距離太近,隔離孔的絕緣環(huán)不能過大,以免形成無意的溝槽,影響上一層信號線的阻抗。
5)接地線構(gòu)成閉環(huán)路。設(shè)計只由數(shù)字電路組成的印刷電路板的地線系統(tǒng)時,將接地線做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。
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1電磁兼容
電磁兼容(EMC)是一門綜合性學(xué)科,主要研究電磁干擾和抗干擾的問題。電磁兼容性是指電子設(shè)備或系統(tǒng)在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下,不因電磁干擾而降低性能,同時它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于檢定的極限電平,不影響其它電子設(shè)備或系統(tǒng)的正常運行,并達到設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互不干擾、共同可靠地工作的要求。電磁兼容性 (EMC)包括兩個方面:產(chǎn)品的電磁輻射性和抗電磁干擾性口一個好的電子產(chǎn)品必須考慮電磁兼容問題,既不能有電磁輻射干擾其他電子設(shè)備,又要有較低的電磁敏感度,能抵抗規(guī)定的電磁干擾。電磁干擾是電磁騷擾引起的后果,它會使電子設(shè)備、傳輸通道、系統(tǒng)和印刷板組裝件的性能下降。印刷板作為電子設(shè)備的基礎(chǔ)部件,使用中同樣存在電場和磁場,有電、磁場存在就有電磁兼容問題,尤其是現(xiàn)代電子設(shè)備中大量采用數(shù)字電路、高速邏輯電路,信號的傳輸速度大大提高,這也增大了引起電磁輻射和受電磁干擾的因素,所以考慮電磁兼容問題是印刷電路板設(shè)計的重要內(nèi)容。
2印刷電路板上抑制電磁干擾設(shè)計
由于PCB上的電子器件和線路的密集度不斷增加,而信號的頻率也不斷提高,不可避免地會引入E訛(電磁兼容)和陰I(電磁干擾)的問題。
外部的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾對PCB上的電路基本無影響,實際上在設(shè)計中采取正確的措施常常能同時起到抗干擾和抑制發(fā)射的作用。在設(shè)計印刷電路板時,首先要根據(jù)實際需要,選擇合適的印制板類型(板材和板層),然后是確定元器件在板上的位置,再依次布局,設(shè)計地線、信號線。
2.1印刷電路板的選取
印刷電路板有單面、雙面和多層板之分。單面和雙面板一般用于低、中密度布線的電路和集成度較低的電路。多層板適用于高密度布線、高集成度芯片的高速數(shù)字電路。從電磁兼容的角度來說,多層板可以減小線路板的電磁輻射并提高線路板的抗干擾能力。因為在多層板中,可以設(shè)置專門的電源層和地層,使信號線與地線之間的距離僅為線印刷電路板的層間距離。這樣板上所有信號的回路面積就可以降至最小,從而有效減小差模輻射。
2.2元器件的布局
設(shè)計印刷電路板不僅僅是簡單地將各個元器件之間用印制導(dǎo)線連接起來,更重要的是應(yīng)當(dāng)考慮電路的特點和要求,正確的擺放元器件
l)按電路單元和相互有連接關(guān)系的元器件應(yīng)靠近布局。以減少元器件之間的走線和連線的長度,減低輻射和干擾。
2)按電路工作頻率或器件的開關(guān)速度的相對高低分區(qū)布局,從I/0端向板的遠端電路工作頻率依次降低分布,在較高頻率區(qū)內(nèi),高速震蕩器件不應(yīng)靠近工/0端。
3)容易產(chǎn)生電磁輻射的元器件(如:時鐘、震蕩器等),遠離電磁敏感器件或走線,必要時采取電磁屏蔽措施。
2.3信號線的布局
信號線的布置最好根據(jù)信號的流向順序安排,使電路板上的信號走向流暢。不相容的信號線應(yīng)相互遠離,不要平行走線。同一層上的信號線保持一定間距,最好以相應(yīng)地線路隔離,減少線間信號串?dāng)_。分布在不同層上的信號線走向應(yīng)相互垂直,這樣可以減少線間的電場和磁場禍合干擾。高速信號的回路面積盡可能小,以免發(fā)生輻射干擾。
1)高速信號線盡可能放在同一層,不要換層:2)使信號線平滑過度,避免由于線寬突變引起信號反射:3)印制線不要一部分緊鄰地線走,一部分不緊鄰造成阻抗突變;4)信號線不要離印制板邊緣太近,否則會引起特征阻抗變化,而且容易產(chǎn)生邊緣場,增加向外的輻射:5)對于導(dǎo)線特性阻抗要求嚴格的信號線,應(yīng)采用帶狀線或微帶線的布線形式,有利于導(dǎo)線寬度、厚度和絕緣層厚度調(diào)整特性阻抗;6)當(dāng)電路的工作頻率超過SMHz或器件的邊沿數(shù)率超過sns時,應(yīng)優(yōu)先選用多層板,有利于降低電磁干擾;7)高速信號傳輸線路中過孔盡量少,并且孔徑小,有利于降低孔的寄生電容,通常采用小孔徑的過孔、埋孔或盲孔。
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2.4地線布局
1)將數(shù)字電路與模擬電路分開。電路板上既有高速邏輯電路,又有線性電路,應(yīng)使它們盡量分開,兩者的地線不要相混,分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。
2)正確選擇單點接地與多點接地。在低頻電路中,信號的工作頻率小于1陽z,它的布線和器件間的電感影響較小,而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大,因而應(yīng)采用一點接地。當(dāng)信號工作頻率大于10MHz時,地線阻抗變得很大,此時應(yīng)盡量降低地線阻抗,應(yīng)采用就近多點接地。
3)盡量加粗接地線。若接地線很細,接地電位則隨電流的變化而變化,致使電子設(shè)備的定時信號電平不穩(wěn),抗噪聲性能變壞。因此應(yīng)將接地線盡量加粗,使它能通過三倍于印制電路板的允許電流。
4)地線上的隔離孔不應(yīng)距離太近,隔離孔的絕緣環(huán)不能過大,以免形成無意的溝槽,影響上一層信號線的阻抗。
5)接地線構(gòu)成閉環(huán)路。設(shè)計只由數(shù)字電路組成的印刷電路板的地線系統(tǒng)時,將接地線做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。
2.5印刷導(dǎo)線的寬度
導(dǎo)線寬度應(yīng)以滿足電氣性能而又便于生產(chǎn)為宜,它的最小值以承受的電流而定,但最小不宜小于0.Zmln,在高密度、高精度的印刷線路中,導(dǎo)線寬度和間距一般可取0.3nnn;導(dǎo)線寬度在大電流情況下還應(yīng)考慮到其溫升,單面板試驗表明,當(dāng)銅箔厚度為SOum、導(dǎo)線寬度1一1.smm、通過電流為2A時,溫升很小。
在DIP封裝的走線間,當(dāng)兩腳間通過2根線時,焊盤直徑可設(shè)為50mil,線寬與線距都為10耐l;當(dāng)兩腳間只通過1根導(dǎo)線時,焊盤直徑可設(shè)為64011,線寬與直徑都為12mil。
3軟件抗干擾措施
采用看門狗電路防止由于外界干擾硬件故障及程序出錯致使系統(tǒng)停機中斷或程序進入死循環(huán);采用軟件濾波方法剔除高頻脈沖干擾。
4小結(jié)
印制電路板中的電磁兼容問題很復(fù)雜,要針對具體問題采取相應(yīng)的措施。設(shè)計中善于采用新的設(shè)計手段,吸取先進的設(shè)計經(jīng)驗,利用成熟的安裝工藝,有效的減少電磁干擾。隨著PCB工藝的不斷提高和電磁兼容學(xué)的深入發(fā)展,其電子產(chǎn)品的電磁兼容性能也將會有顯著的提高。