電子印刷電路板設(shè)計(jì)技巧

介紹

該信息作為電子電路的初步設(shè)計(jì)和開發(fā)階段的指南，以防止?jié)撛诘碾姶鸥蓴_（EMI）和電磁兼容性（EMC）問(wèn)題。這些提示代表了良好的印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)實(shí)踐，建議作為評(píng)估和選擇EMI / EMC軟件建模工具的清單。

電路板的EMI仿真需要評(píng)估許多細(xì)節(jié)，例如時(shí)鐘頻率，開關(guān)速率，上升/下降時(shí)間，信號(hào)諧波，數(shù)據(jù)傳輸速率，阻抗，跡線負(fù)載以及各種電路元件的類型和值的考慮。

PC板及其相關(guān)金屬部件的物理布局是重要的考慮因素。應(yīng)特別注意信號(hào)源組件，過(guò)孔，走線，焊盤，電路板疊層，屏蔽外殼，連接器和電纜的位置和特性。例如，隨著信號(hào)頻率和時(shí)鐘/開關(guān)速率的增加，PC板的走線特性可能與傳輸線和輻射器的特性相似。

PC板跡線或組件可以成為有效天線，其長(zhǎng)度小至波長(zhǎng)的二十分之一。

可以在組件，PC板或機(jī)箱級(jí)別處理EMI / EMC問(wèn)題。但是，盡可能接近源或易受害者處理這些問(wèn)題要高效得多。因此，重要的是將這些技巧視為PCB設(shè)計(jì)和布局的指導(dǎo)，以便在實(shí)際制造設(shè)備之前識(shí)別和防止問(wèn)題。

（1）在解決互連和系統(tǒng)級(jí)別的EMI之前，應(yīng)在電路和盒級(jí)應(yīng)用EMI控制。

（2）由于處理周期性波形和快速時(shí)鐘/切換速率，數(shù)字電路更可能成為發(fā)射源。由于更高的增益功能，模擬電路更可能成為易受影響的受害者。

（3）大多數(shù)EMI問(wèn)題的來(lái)源或易感受害者通常是電子元件。雖然有源元件通常是EMI的來(lái)源，但無(wú)源元件通常會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，具體取決于信號(hào)頻率和元件的特性。例如，由于繞組之間的高頻寄生耦合，電感器可能變得主要是電容性的。由于內(nèi)部電感和高基頻和諧波頻率下的外部引線電感，電容會(huì)產(chǎn)生寄生串聯(lián)電感。

（4）涉及有源元件的EMI問(wèn)題可能是器件輸出傳輸發(fā)射或其輸入提供易感性路徑的結(jié)果。然而，在高頻下，有源元件可能成為EMI的直接輻射器或受體。此外，組件的電源和接地連接可以提供發(fā)射和易感性的路徑。

（5）雖然與差模電流相比，共模電流通常較小，但它們可能是輻射發(fā)射的主要原因。

（6）通過(guò)使用帶有電源層的多層PC板，可以大大提高單層，自由布線（使用電源和接地走線而不是平面）PC板設(shè)計(jì)的發(fā)射和磁化率。前向信號(hào)與其返回路徑（地平面）之間的高電容提供電場(chǎng)的容納。路徑的低電感提供磁通消除。盡管在PCB疊層設(shè)計(jì)中并不總是如此，但跡線應(yīng)該與其相關(guān)的返回路徑隔開一個(gè)介電層，并且電壓和接地平面應(yīng)盡可能緊密間隔。

（7）PCB疊層設(shè)計(jì)對(duì)于控制電磁場(chǎng)非常重要，同時(shí)提供額外的電源總線旁路和去耦，并最大限度地降低總線電壓瞬變。

使用電源層的多層PC板設(shè)計(jì)的一些好處是：

如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，電源平面將提供圖像平面效果。由于電源平面中的返回電流與相關(guān)的信號(hào)電流相等且極性相反，因此它們的電磁場(chǎng)將趨于抵消。

電源層還可以減少信號(hào)和電源走線的環(huán)路面積，從而降低EMI輻射和易感性。

灣接地層可降低整體接地阻抗，從而降低高頻接地反彈。而且，地面和電壓平面之間的阻抗在高頻下降低，這減少了電源總線振鈴。

（8）具有快速輸出轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘IC對(duì)電壓和電流分配組件（如電源，電源總線和電源層）要求非常高。電源總線的電感可以防止快速輸出轉(zhuǎn)換和快速上升時(shí)間所需的快速能量傳輸。通過(guò)在IC的電源引腳上放置去耦電容可以改善這一點(diǎn)。必須在頻率響應(yīng)中正確選擇電容，以提供IC輸出頻譜所需的能量。然而，隨著去耦路徑的數(shù)量增加，跨越它們的電壓降的數(shù)量也增加，這可能導(dǎo)致電源總線瞬變以及相關(guān)的共模發(fā)射。通過(guò)在IC區(qū)域中進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娫雌矫嬖O(shè)計(jì)，可以最大限度地減少此問(wèn)題。電源平面充當(dāng)有效的高頻電容器，因此，作為更清潔的IC輸出所需的額外能量源。

PCB布局

（1）盡可能使用多層PC板而不是單層板。

（2）如果必須使用單層板，則應(yīng)使用接地平面以幫助減少輻射。

（3）頂部和底部接地層可以幫助減少多層板的輻射至少10 dB。

（4）分段式PC板接地層可用于減少由共模電流引起的電纜輻射。

（5）電源和返回平面應(yīng)位于多層PCB的相對(duì)側(cè)。有效功率平面的電感很低。因此，可能在電源層上產(chǎn)生的任何瞬變都將處于較低水平，從而導(dǎo)致較低的共模EMI。

（6）電源層與高頻IC電源引腳的連接應(yīng)盡可能靠近IC引腳。更快的上升時(shí)間可能需要直接連接到IC電源引腳的焊盤。

（7）當(dāng)模擬和數(shù)字電路彼此靠近時(shí)，它們易于相互作用。這些應(yīng)盡可能位于PC板的不同層上。如果電路必須位于同一層，則應(yīng)將它們分成具有適當(dāng)隔離布局的模擬和數(shù)字區(qū)域。

（8）高頻走線，例如用于時(shí)鐘和振蕩器電路的走線，應(yīng)由兩個(gè)地平面包含。這提供了最大的隔離。隨著頻率的增加，跡線或?qū)w的電抗很容易超過(guò)其直流電阻。如果該跡線靠近其接地平面運(yùn)行，則電感可減少約三分之一。

（9）時(shí)鐘/振蕩器走線的附加EMI預(yù)防措施包括利用在幾個(gè)位置接地的接地平面的保護(hù)走線。還可能需要用箔或小金屬外殼屏蔽時(shí)鐘和振蕩器組件。

（10）每當(dāng)時(shí)鐘速率加倍時(shí)，總電路串?dāng)_增加兩倍。通過(guò)最小化地板平面上方的PC板走線高度，可以減少EMI輻射和串?dāng)_。

（11）PC板邊緣輻射可能是跡線位于太靠近板邊緣的結(jié)果。這可以通過(guò)將跡線保持在遠(yuǎn)離板邊緣的板厚度的至少3倍的距離來(lái)最小化。

（12）如果可能，應(yīng)避免PC板走線堆疊。否則，應(yīng)限制在一個(gè)走線高度，以減少輻射，串?dāng)_和阻抗不匹配。

（13）并行軌跡通常容易發(fā)生串?dāng)_。它們之間應(yīng)至少分開2個(gè)走線寬度，以減少串?dāng)_。

去耦，旁路和過(guò)濾

（1）EMI濾波器可用作分流元件，以轉(zhuǎn)移來(lái)自走線或?qū)w的電流;作為阻擋跡線或?qū)w電流的串聯(lián)元件;或者它們可以用作這些功能的組合。濾波器元件的選擇應(yīng)始終基于所需的頻率范圍和元件特性。低通濾波器可用于減少大多數(shù)高頻EMI問(wèn)題。它包含電容分流器和串聯(lián)電阻或電感。但是，在頻率極端情況下，電容可以變?yōu)殡姼校姼锌梢宰優(yōu)殡娙?，從而使濾波器更像帶阻濾波器。濾波器設(shè)計(jì)類型應(yīng)基于電路應(yīng)用點(diǎn)的總阻抗，以實(shí)現(xiàn)正確匹配。 T型濾波器設(shè)計(jì)對(duì)大多數(shù)EMI應(yīng)用都很有效，是模擬和數(shù)字I / O端口的理想選擇。

（2）電容器可用于其高頻性能特性內(nèi)的信號(hào)濾波和電源去耦。但是，它們的內(nèi)部和外部電感會(huì)限制高頻時(shí)的性能。建議在高頻時(shí)使用陶瓷電容，特別是GHz范圍內(nèi)的電容。在所關(guān)注的頻率下提供小于1歐姆的電抗的電容器應(yīng)該足夠。電容引線和走線長(zhǎng)度必須在高頻時(shí)短，以防止增加感應(yīng)電抗。

（3）在高頻（大于100 MHz）下使用的PC板旁路電容應(yīng)采用表面貼裝技術(shù)（SMT），其通孔足夠靠近安裝墊，以最大限度地減少或消除走線。通孔應(yīng)該很大（直徑大于0.035英寸），并且PC板應(yīng)該足夠薄，以使電源和接地平面靠近電容器主體（厚度小于0.030英寸）。通過(guò)降低電容器的整體有效電感，旁路電容器的正確設(shè)計(jì)布局可以大大降低功率和接地電路噪聲。

（4）線繞鐵氧體電感器可用于較低RF頻率的EMI發(fā)射和抗擾度濾波。這些可以提供從大約1微亨到1毫亨的電感。然而，它們可以成為高于其諧振頻率的電容器，并且在最常見(jiàn)的50MHz至500MHz的EMI頻率范圍內(nèi)無(wú)用。鐵氧體和鐵氧體磁珠推薦用于較高頻率的應(yīng)用，在這些應(yīng)用中它們變得有損并且更像電阻器。在所關(guān)注的頻率上選擇約100至600歐姆的鐵氧體阻抗。

（5）應(yīng)盡可能使用配有旁路電容或?yàn)V波器引腳的屏蔽I / O電纜連接器。

（6）I / O濾波器應(yīng)位于I / O連接器內(nèi)部（與濾波器引腳一樣），而不是PC板上。

（7）I / O旁路電容應(yīng)安裝在I / O連接器上，而不是安裝在PC板上。

（8）I / O鐵氧體應(yīng)安裝在I / O連接器內(nèi)部，而不是安裝在PC板上。

（9）I / O電纜連接器上的卡扣式鐵氧體磁珠可提供3至5 dB的共模吸收。

（10）多個(gè)鐵氧體可用于將輻射降低多達(dá)10 dB，具體取決于它們?cè)诟信d趣的頻率下的特性。

（11）鐵氧體磁珠有高Q諧振和低Q非諧振（吸收）類型。低Q珠推薦用于數(shù)字電路和濾波應(yīng)用。

（12）外部電纜或I / O連接器濾波器可提供大于10 dB的共模抑制。

電纜和連接器

（1）電纜應(yīng)根據(jù)其功能進(jìn)行分組，如電源，模擬，數(shù)字和RF。

（2）應(yīng)為模擬和數(shù)字信號(hào)使用單獨(dú)的連接器組件。

（3）模擬和數(shù)字連接器應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離。

（4）共用同一個(gè)I / O連接器時(shí)，模擬和數(shù)字信號(hào)引腳應(yīng)由未使用的接地引腳分開。

（5）對(duì)于每個(gè)信號(hào)返回，應(yīng)在I / O連接器內(nèi)使用單獨(dú)的引腳，以便所有返回電路保持分離。

（6）通過(guò)為每個(gè)信號(hào)使用單獨(dú)的電源和接地引腳并減少電路的負(fù)載和電流，可以減少連接器串?dāng)_。

（7）電纜屏蔽層應(yīng)接地到I / O點(diǎn)的設(shè)備外殼。

（8）如果兩端接地，屏蔽I / O電纜最有效。

（9）在內(nèi)部連接之前，應(yīng)在設(shè)備的金屬外殼上除去電纜共模電流。

（10）電纜應(yīng)靠近接地層，屏蔽結(jié)構(gòu)和電纜橋架布線。

接地

（1）使用地平面代替矢量軌跡。

（2）接地走線應(yīng)盡可能短而粗。

（3）去耦信號(hào)和RF電路接地。

審核編輯 ：李倩