基于電磁兼容的PCB設計
0 引言
PCB是英文(Printed Circuit Board)印制線路板的簡稱。通常把在絕緣材料上,按預定設計,制成印制線路、印制元件或兩者組合而成的導電圖形稱為印制電路。而在絕緣基材上提供元器件之間電氣連接的導電圖形,稱為印制線路。這樣就把印制電路或印制線路的成品板稱為印制線路板,亦稱為印制板或印制電路板。PCB幾乎我們所能見到的電子設備都離不開它,小到電子手表、計算器、通用電腦,大到計算機、通訊電子設備、航空、航天、軍用武器系統(tǒng),只要有集成電路等電子元器件,它們之間電氣互連都要用到PCB,它的性能直接關系到電子設備質量的好壞。隨著電子技術的飛速發(fā)展,電子產(chǎn)品越來越趨向高速,高靈敏度,高密度,這種趨勢導致了PCB電路板設計中的電磁兼容(EMC)和電磁干擾問題嚴重化,電磁兼容設計已成為PCB設計中急待解決的技術難題。
1 電磁兼容
電磁兼容(Electro―Magnetic Compatibility,簡稱EMC)是一門新興綜合性學科,它主要研究電磁干擾和抗干擾問題。電磁兼容性是指電子設備或系統(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指標,同時它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于限定的極限電平,不影響其它系統(tǒng)的正常運行,并達到設備與設備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互不干擾、共同可靠工作的目的。電磁干擾(EMI)產(chǎn)生是由于電磁干擾源通過耦合路徑將能量傳遞給敏感系統(tǒng)造成的,它包括由導線和公共地線的傳導、通過空間輻射或近場耦合3種基本形式。實踐證明,即使電路原理圖設計正確,印制電路板設計不當,也會對電子設備的可靠性產(chǎn)生不利影響,所以保證印制電路板電磁兼容性是整個系統(tǒng)設計的關鍵。
1.1 電磁干擾(EMI)
當一個EMI問題產(chǎn)生時,需要用3個元素來描述:干擾源、傳播路徑和接受者。如圖l所示:
因此我們要減小電磁干擾,就要在這三個元素上去想辦法。下面我們主要討論印制電路板的布線技術。
2 印制電路板的布線技術
良好的印制電路板(PCB)布線在電磁兼容性中是一個非常重要的因素。
2.1 PCB基本特性
一個PCB的構成是在垂直疊層上使用了一系列的層壓、走線和預浸處理。在多層PCB中,設計者為了方便調試,會把信號線布在最外層。
PCB上的布線是有阻抗、電容和電感特性的。
阻抗:布線的阻抗是由銅和橫切面面積的重量決定的。例如,l盎司銅則有O.49 mΩ/單位面積的阻抗。電容:布線的電容是由絕緣體(EoEr)、電流到達的范圍(A)以及走線間距(h)決定的。用等式表達為C=EoErA/h,Eo是自由空間的介電常數(shù)(8.854 pF/m),Er是PCB基體的相關介電常數(shù)(在FR4碾壓中為4.7)。
電感:布線的電感平均分布在布線中,大約為1 nH/m。
對于1盎司銅線來說,在O.25 mm(10mil)厚的FR4碾壓情況下,位于地線層上方的0.5 mm(20 mil)寬,20 mm(800 mil)長的線能產(chǎn)生9.8 m∧的阻抗,20 nH的電感以及與地之間1.66 pF的耦合電容。將上述值與元器件的寄生效應相比,這些都是可以忽略不計的,但所有布線的總和可能會超出寄生效應。因此,設計者必須將這一點考慮進去。PCB布線的普遍方針:
(1)增大走線的間距以減少電容耦合的串擾;
(2)平行的布電源線和地線以使PCB電容達到最佳;
(3)將敏感的高頻線布在遠離高噪聲電源線的地方;
(4)加寬電源線和地線以減少電源線和地線的阻抗。
2.2 分割
分割是指用物理上的分割來減少不同類型線之間的耦合,尤其是通過電源線和地線。
圖2給出了用分割技術將4個不同類型的電路分割開的例子。在地線面,非金屬的溝用來隔離四個地線面。L和C作為板子上的每一部分的過濾器.減少不同電路電源面間的耦合。高速數(shù)字電路由于其更高的瞬時功率需量而要求放在電源入口處。接口電路可能會需要靜電釋放(ESD)和暫態(tài)抑制的器件或電路。對于L和C來說,最好使用不同值的L和C,而不是用一個大的L和C,因為這樣它便可以為不同的電路提供不同的濾波特性。
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