PCB板内地返回路径的处理

PCB地返回路径的处理摘要：印制电路板的好坏直接影响电子系统的电磁兼容性能，而印制电路板的上地返回路径是控制整个电子系统电磁兼容性能的核心之一，依据整个系统中返回路径所处的位置针对不同干扰信号有针对性的处理地返回路径，可以是事半功倍的提高板内电磁兼容性能。本文以实际工作遇到的金属壳体的印制电路板为研究对象，针对印制电路板内数字地、模拟地和大功率信号和散热器的特点依据GB17626的测试的干扰源类型，分析各部分干扰源的种类以及干扰形成原理。依据系统电磁兼容常用手段对各种降低干扰源，从而提升整个电子系统的抗干扰能力和稳定性。引言：地是电子系统中重要的组成部分，地处理是电磁兼容的主要部分也是信号完整性设计核心之一，针对不同干扰源的抗干扰性和稳定性，对印制电路板内的地进行合理处理会提升整个电子系统的抗干扰性。本文通过壳体、数字与模拟地内的一些处理方式说明地处理的重要性。关键词：电磁到兼容、信号完整性、返回路径一、PCB板内常见地返回路径的特性：理想的地返回路径是一个纯净的电位为零的参考面，实际电子系统内不存在绝对零电压的参考平面，因此layout工程师要设计出一个相对纯净的参考界面作为返回路径。PCB板内电层和地平面是整个系统的返回路径，因篇幅限制本文仅对地返回路进行分析。由于仅分析地返回路径所以本文并不采用返回路径这一称呼依然采用地这个称呼。本文通过地分割、信号线与地的关系和散热片处理三个方面对地返回路径进行简要描述。二、地分割1、壳体地：壳体电势返回路径是PCB板内与壳体共电位的平面1）干扰源：壳体工作环境比较复杂根据GB17626的测试内容可知其干扰源主要有浪涌、雷击、静电放电等。2）电路板内解决方法：为了避免壳体上干扰信号涌入到电路板的信号地，用不低于50Mil的沟槽将电路板内与壳体连接接口的地与电路板内的地进行分割。○1、不跨越接口信号分割，避免了干扰信号通过地返回路径干扰电子系统。沟槽令电路板内的地形成一个相对独立的地平面，但沟槽在电磁环境内会形成天线效应采用史蒂文森推导沟槽产生的天线效应可知：当缝与波导轴线平行时，称为纵缝，其归一化导纳为：2212.09sin()co2s()ggxbgaaππ当缝与波导轴线垂直时，称为横缝，其归一化电阻为：212220.523()cos()cos()4grabaaπxπ斜缝归一化电阻：14212221cos(sin0.131[sin]sin)21()ggggaФФbФπ具体推导见《天线原理与设计》因电路板地分割的复杂性，本文只做定性分析：依据电磁兼容整改的基本方法我们采用切断从天线上发射到壳体地和数字地方向上的干扰信号路径从而保护敏感器件的措施来降低沟槽的影响。利用电容的旁路功能将从沟槽流入、流出电流旁路到地平面从而降低干扰强度。现实中PCB板通过铜柱与壳体相连，电路板内干扰电流通过铜柱传导到系统的壳体地，故PCB内壳体地的电压要比壳体电压略高。在理论上穿心电容可以切断干扰路径，实际应用中穿心店容的中心地很难连接到壳体地上，为了解决这个问题经过大量试验得出：在沟槽上串接一个耐压1000V的电容也可以将沟槽的天线效应降到容忍范围内，过在实际操作中layout一般采用跨接电容的方法来解决这类地分割问题。○2、分割线跨接信号线，信号线的返回路径被分割。由于高频趋肤效应，绝大部分返回电流总是贴着信号线下方3W宽度范围流动。当地平面上出现沟槽时，返回电流就会绕过这个槽，这个绕行的回流增加了整个回路的电感，为了实例化这个问题采用经典沟槽模型如下图：增加的电感可由下式计算得出：5ln()DLDWL电感单位nH，D沟槽长度单位in，W沟槽宽度单位in。在电磁环境中沟槽不仅有天线作用，信号线返回路径被破坏了有增加了返回路径的感性阻抗，在采取电容降低沟槽天线效应的同事依据电感或磁珠的选通作用可以令信号线的返回信号有一个地阻抗路径从而降低由于分割引起的感抗。因此在这种情况下采用π型滤波对电路进行优化如下图：根据电流节点分析法：在节点1处的干扰电流会看到一个经C1的低阻抗路径，相对于经电感/磁珠的高阻抗，可以有效的阻止其流到外部导线的辐射阻抗。同理由外界来的干扰信号会看到C2的低阻抗路径，相对于经电感/磁珠之高阻抗，也会有效的阻挡。此意味著π型滤波器的组态对于辐射干扰有抑制作用。2、数字地：也叫逻辑地，是各种开关量（数字量）信号的零电位其敏感度在十几毫伏左右。1）、干扰源主要：同步开关噪音（SSN），地弹（Groundbounce）也可以归于此类（图1-a）；边缘效应如（图1-c）。2）、解决方法：○1、针对边缘效应采用20H原则便可降低边缘效应的干扰这里不做描述。○2、开关噪音可定义为：SSNdIVNLdtN同步切换驱动器数目，L单个驱动器对地连线等效电感，I每个驱动器瞬时电流变化由于SSN和内部器件有一些物理性相关，所以很难精确的测量和控制，所以这里的噪音参考相关文件为十几毫伏的干扰量，这个干扰量和相差一千倍的模拟地不能直接相连，故采用地分割。跨越模拟信号和数字信号的信号线采用跨接原理，跨接地为信号线正下方宽度略宽余一组信号线的宽度。三、大功率信号线的地处理方式大功率信号：根据P=UI可知在输入电压一定的情况下当I增大信号的功率便会随之增加，大电流的引入使得开关噪音呈现急剧增加的趋势，为降低系统的开关噪音layout工程依据有损线传输损耗因子的特性将信号线下方的地挖空从而增加信号的介质损耗降低大功率信号的电流。损耗电流：02tan()*rhIfVlenwπr平面间介电常数h平面间介质厚度w传输线的宽度len传输线长度0自由空间的介电常数tan()材料的损耗因子，f信号频率依据传输线特性阻抗特性：0377rhZw当挖空信号线下方的返回路径增加了特性阻抗中h值，为了保持传输线的阻抗layout工程师会增加线宽来保持传输线的阻抗特性，又由于有损线的带宽和上升沿性：有损线特性：1.3tan()rTLBWd有损线的上升沿：0.27tan()rTLRTdTLBW：表示长度为d的互连线的固有带宽单位GBLayout会根据信号带宽和上升沿的要求对芯片位置进行调整。四、散热片的处理：通常我们会使用金属散热器为高速冷却，这个金属散热器靠近IC的高速部分，所以内部电流很容易会紧密的耦合至金属散热器上，此散热器都远大于IC之硅晶元及内部连接线，所以是一个较有效率之辐射器。不管信号在PC板上是如何的布线，或回返电流是如何的控制的，一旦IC的内部电流耦合到散热器(天线)上，就会造成辐射。若是外壳无法提供足够之屏蔽，此辐射可能会超过限制值。一个控制散热器辐射常用之方法就是将散热器『接地』至PC板之接地参考。这样可以降低散热器与接地参考平面间之电位差，也就是降低辐射了。参考文献：高速电路设计与仿真分析Cadence实例设计详解邵鹏著天线原理与设计演讲稿王建在现实世界中的EMI控制张兰光译PCB地平面的分割经纬、魏丽丽、王力信号完整性分析李玉山、李丽平等译