PCB(高速)电磁兼容的设计研究

PCB(高速)电磁兼容的设计研究电磁干扰与电磁兼容技术主要内容（1）„1高速PCB概述„2电源VCC和GND的设计„3传输线设计的问题及解决方法„4PCB设计中其他抗干扰技术„5高速PCB中的信号完整性问题1高速PCB概述（1/3）高速电路：通常认为如果数字逻辑电路的频率达到或者超过45MHZ~50MHZ，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个电子系统一定的份量（比如说１／３），就称为高速电路。随着系统设计复杂性和集成度的大规模提高，电子系统设计师们正在从事100MHZ以上的电路设计，总线的工作频率也已经达到或者超过50MHZ，有的甚至超过100MHZ。66MHz到200MHz处理器是很普通的；233-266MHz的处理器也变得轻易就可得到。对于高速度的要求主要来自：a)要求系统在令用户感到舒适的、很短时间内就能完成复杂的任务。b)元件供应商有能力提供高度速的设备。1高速PCB概述（2/3）高速数字电路设计跟低速数字电路设计不同的是：它强调组成电路的无源器件对电路的影响。这些无源器件包括导线、电路板和组成数字产品的集成电路。在低速设计中，这些部件单纯的只是电路的一部分，根本不用多做考虑，可是在高速设计中，这些部件对电路的性能有着直接的影响。1高速PCB概述（3/3）高速电路设计研究的主要内容是以下几个方面：1、无源电路单元是如何影响信号传输的（振铃和反射）。2、信号间的相互影响（串扰）。3、与周围环境间如何影响（电磁干扰）。所以可以说，高速电路的设计就是研究有源器件与无源器件之间的相互影响关系的。高速PCB的应用领域：由于现在学科间的交叉影响，凡是涉及到控制领域的问题，基本都会借助于电子线路。高速、高精度的控制领域，如机械制造行业中的数控，生物医学电子，人工智能，个人计算机，超高速专业计算机，高速电机控制等类似的嵌入式系统都会用到高速的PCB。2电源VCC和GND的设计（1/19)2.1电源分配设计高速系统板时需要考虑的重要问题就是电源分配网络。对一个无噪声系统来说，它必须有一个无噪声的电源分配网络。记住，如果想开发一个干净的VCC，那么得到一个干净的地就是十分必要的。对AC信号来说，VCC就是基础地。理想电源模型：（零阻抗）实际电源模型：（有以电阻，电感或电容形式存在的阻抗）2电源VCC和GND的设计（2/19)设计目的是尽可能减小网络中的阻抗。有两种方法：电源总线法（powerbuses）和电源位面法(powerplanes)。电源总线法vs电源位面法：总线法模型位面法模型一个总线系统（图a）是由一组根据系统设备要求不同而具有不同电压级别的线路组成的。一个电源位面系统（图b）是由多个涂满金属的层（或者层的部分）组成的。每个不同电压级别需要一个单独的层。金属层上面唯一的缝隙，是为了布置管脚和信号过孔用的。电源总线法和电源位面法的比较：在总线上，电流被限制在总线的路线上。每个高速设备产生的线路噪声都将被带入这条线路中其他的设备。电源位面系统中，电流不受线路控制，分布在整个层上。由于整体阻抗小，电源位面系统比总线系统的噪声更小。线路噪声过滤选用旁路电容作为过滤器。一般来说，一个1uf-10uf的电容将被放在系统的电源接入端，板上每个设备的电源脚与地线脚之间应放置一个0.01uf-0.1uf的电容。Notes：电阻和电感是由组成电容的金属板和石墨板造成的。由于它们寄生于电容，于是被称为等级电阻（ESR）和等级电感(ESL)，因此电容是一系列共鸣的电路，且：2电源VCC和GND的设计（3/19)a)电容阻抗与频率的关系b)在同等结构之下减小电容容量的效果为了不同的频率及应用，有不同种类的电容可供选择，表格1给出一些介绍：2电源VCC和GND的设计（4/19)所以：电容器更像一个针对一个带宽的过滤器（band-rejectfilter），而不是一个高频过滤器（high-frequency-rejectfilter.）。电解电容玻璃封装陶瓷电容陶瓷电容„旁路电容的放置（a.旁路电容的典型放置b.推荐的旁路电容放置）„电源回路与噪声2电源VCC和GND的设计（5/19)为达到良好的性能，应该使芯片与电容在同一点上接VCC和接地。一个表贴电容在b)图位置获得比较好的工作效果。结论：在电源回路没有办法减小的时候，必须设法减小单个IC的供电回路。2电源VCC和GND的设计（6/19)„电源总线靠近信号线有时候，设计者不得不使用双层板，不能使用电源平面而要用电源总线。即使如此，将电源总线靠近信号线也同样能够减小回路的尺寸。地线总线应该跟随着板子另一面的最敏感的那条信号线（下图）。¾尽管电源平面方案比总线方案更优，但是设计者的失误仍然可能使得这些优越性丧失。自然线路上的任何一个断点都会使得电流绕道而行，从而加大环路的尺寸（下图）。¾几条有助于发挥电源平面的优点，避免缺点的原则：a.当心电源层割缝上图就是由于电源层的割缝导致了回路面积的增加。这个是应该避免的。b.分离模拟电源平面与数据电源平面2电源VCC和GND的设计（7/19)c.隔开敏感元件2电源VCC和GND的设计（8/19)有些设备，比如锁相电路，对噪声非常敏感。它们需要类似的隔离处理。在电源平面上沿设备周围腐蚀出马蹄形可以达到很好的隔离效果所有进出该设备的信号都由马蹄形一端的窄小通路传输。电源平面上电流噪声将会绕过马蹄形地带，不会靠近敏感元件。2.2接地的设计接地从字面来看上十分简单事情，但是对于经历过电磁干扰挫折的人来说可能是一个最难掌握的技术。实际上在电磁兼容设计中，接地是最难的技术。面对一个系统，没有一个人能够提出一个绝对正确的接地方案，多少会遗留一些问题。造成这种情况的原因是接地没有一个很系统的理论或模型，人们在考虑接地时只能依靠他过去的经验或从书上看到的经验。地线干扰的简单实例：2电源VCC和GND的设计（9/19)‹接地的目的有两个：(1)安全地(包括对雷电及静电放电的防护)(2)信号电压参考地PCB的制作中，接地就是其中的第二个目的。信号电压参考地为电气系统所有部分提供一个公共的参考点。对信号参考来讲，电位差的典型值必须小于几毫伏。在信号电压之间几乎没有严格设置的连接可以使产品符合或不符合EMC规范。‹接地的方法：a.单点接地技术有两种模型：2电源VCC和GND的设计（10/19)单点接地技术常见于音频电路、模拟设备、工频及直流电源系统，还有塑料封装的产品。虽然单点接地技术通常在低频采用，但有时它也应用于高频电路或系统中。只要设计者们清楚不同的接地结构中存在的所有有关电感的问题时，这种应用是可行的。b.多点接地c.混合接地2电源VCC和GND的设计（11/19)这种接地结构能够提供较低的接地阻抗，这是因为多点接地时，每条地线可以很短；并且多根导线并联能够降低接地导体的总电感。在高频电路中必须使用多点接地，并且要求每根接地线的长度小于信号波长的1/20。混合接地既包含了单点接地的特性，又包含了多点接地的特性。例如，系统内的电源需要单点接地，而射频信号又要求多点接地，这时就可以采用左图所示的混合接地。对于直流，电容是开路的，电路是单点接地，对于射频，电容是导通的，电路是多点接地的。d.模拟电路接地许多模拟电路工件在低频状态下，对于这些灵敏的电路，单点接地是最好的接地方式。接地的主要目的是防止来自其他噪声元件(如数字逻辑器件、电动机、电源、继电器)的大接地电流争用敏感的模拟地线。接地环路也必须避开一切的敏感的低频模拟电路。使用低频模拟电路，容易对电流加以控制。e.数字电路接地因为高频电流是由接地噪声电压和数字设备布线区域的压降产生的，所以在高速数字电路中，优先使用多点接地。它的主要目的是建立—个统—电位共模参考系统。许多数字环路并不要求具有滤波作用的接地参考源，数字电路具有几百毫伏的噪声容限，并且能够承受数十到数百毫伏的接地噪声梯度。2电源VCC和GND的设计（12/19)‹电源和接地结构中的共耦合阻抗控制2电源VCC和GND的设计（13/19)器件一的噪声：如果器件二中消耗的电流比器件一多，且电源的阻抗可以忽略的话，则器件一上总的噪声电压为：为了在电源分配系统中找到使共地阻抗最小的方案，则供电和接地回路的电感必须考虑。以下为各种结构电感的计算公式：其中，s=导体长度（m），w=导体宽度（mm），h=接地平板上方的高度（cm），d=导体直径（mm）,L=电感（H）,‹多点接地中的谐振多点接地中容易出现的问题就是谐振，这种谐振发生在接地引线与交流参考平面或基座平板之间。尽管这个参考平面相对于特定的接地体处于0V，但也许和数字或模拟电路中的0V不同。在高频中，这种差别会更加显著。这种谐振的产生使因为除了由于接地机架及接地引线的电容和电感外，在电源和接地平板之间也存在着寄生电容和电感。如下图：2电源VCC和GND的设计（14/19)‹PCB中有关GND的分层设计（1）双面板地线布局的设计准则数字电路和低频模拟电路接地方法：地线在板上以指叉形状或树杈形状连接各个元器件，推荐地线宽度不小于50mil，母线地宽度不小于100mil；稍高频率，推荐另一层的对应部分做成接地参考平面。频率高于10MHz模拟电路接地方法：地线在板上以铺地形式连接各地线，信号连线挖开地线。目前，通信领域，双层板用的比较少。（2）4层板地线布局设计准则信号，地，电源，信号如果电源电压有多种规格，可在电源层上做划分或连接。地层最好不做划分，且重要信号线紧挨地层。（3）6层板地线布局设计准则信号，地，信号，信号，电源，信号这种方法的缺点是，电源和地之间的距离较大，存在较高的阻抗，电源的解耦效果不好，且内层的信号之间须防止串绕现象。改进方法一：信号，信号，地层，电源，信号，信号此种方法，缺点是表层和低层的信号效果不好。改进方法二：信号，地层，信号，电源，地层，信号此种方法较好。2电源VCC和GND的设计（15/19)（4）8层板地线布局设计准则信号，信号，地层，信号，信号，电源，信号，信号。此种方法，信号效果不好，电源解耦效果也不好。信号，地层，信号，地层，电源，信号，地层，信号。此种方法，效果比较好。（5）10层以上板地线布局设计准则信号，地层，信号，信号，地层，电源，信号，信号，地层，信号。注意：主电源平面层（功率最大的电源层）最好紧邻接地层且在接地层的下面，确保电源与地层距离最近，有利于电源的解耦，可以提供最大的电容最低的阻抗。2电源VCC和GND的设计（16/19)‹20H原则因磁场效应导致射频电流存在于电源和地平面的边缘处，被称为边缘效应。如图：为了减小电源平面向空间和附近的电路耦合射频电流的效应，要求所有的电源平面物理上都比其相邻的地平面小20H，这就是所谓的20H原则。遵循20H原则，可以将电源对附近电路的耦合降低70％左右，当这个距离为100H时，几乎可以降低耦合98％。其中H为电源和底层的距离，一般为0.006in,那么20H也就是0.12in。2电源VCC和GND的设计（17/19)‹模拟地和数字地的分离模拟信号和数字信号都要回流到地，因为数字信号变化速度快，从而在数字地上引起的噪声就会很大，而模拟信号是需要一个干净的地参考工作的。如果模拟地和数字地混在一起，噪声就会影响到模拟信号。一般来说，模拟地和数字地要分开处理，然后通过细的走线连在一起，或者单点接在一起。总的思想是尽量阻隔数字地上的噪声窜到模拟地上。有信号线跨越数字地和模拟地的情况：2电源VCC和GND的设计（18/19)实际连接实例：‹地线面上的缝隙的影响2电源VCC和GND的设计（19/19)尽量避免跨越地平面的信号线布置。‹地线电缆的设计其中绿色为地线的布置。3.1概念传输线就是一个适合在两个或多个终端间有效传输电功率或电信号的传输系统，如金属导线、波导、同轴线和PCB走线。信号流通的特性：总是取道阻抗最小的路线传输线模型如果信号延迟大于传输时间的一多半，信号线应被看作一条传输线。一条终接负载不合适的传输线受到反射的影响，反射则会使得信号变形。传输线负载端的信号很像振铃，使得系统速度下降。它还会导致时钟错误，损坏系统功能。