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PCB设计技术

  • 2021-07-05 17:23:55
PCB EMC 设计的关键是尽量减少回流区,让回流路径顺着设计的方向流动。最常见的返回电流问题来自于参考平面的裂纹、参考平面层的变化以及流经连接器的信号。


跨接电容或去耦电容可能会解决一些问题,但必须考虑电容、过孔、焊盘和布线的整体阻抗。

本文将介绍EMC的 电路板设计 技术从三个方面:PCB分层策略、布局技巧和布线规则。

PCB分层策略

电路板设计中的厚度、过孔工艺和层数都不是解决问题的关键。良好的分层堆叠是为了保证电源总线的旁路和去耦,并尽量减少电源层或地层上的瞬态电压。屏蔽信号和电源电磁场的关键。

从信号走线的角度来看,一个好的分层策略应该是将所有信号走线放在一层或几层上,这些层紧挨着电源层或地层。对于电源来说,一个好的分层策略应该是电源层紧挨着地层,电源层和地层之间的距离越小越好。这就是我们所说的“分层”策略。下面我们就具体来说说一个好的PCB分层策略。

1、布线层的投影平面应在回流焊平面层区域内。如果布线层不在回流焊平面层的投影区内,布线时投影区外会有信号线,会造成“边缘辐射”问题,也会增加信号回路的面积,导致增加差模辐射。

2、尽量避免设置相邻的布线层。由于相邻布线层上的平行信号走线会引起信号串扰,如果不能避免相邻布线层,则应适当增大两布线层之间的层间距,减小布线层与其信号电路之间的层间距。

3. 相邻的平面图层应避免其投影平面重叠。因为当突起重叠时,层与层之间的耦合电容会导致层与层之间的噪声相互耦合。



多层板设计

当时钟频率超过5MHz,或信号上升时间小于5ns时,为了很好地控制信号环路面积,一般需要多层板设计。设计多层板时应注意以下原则:

1、关键布线层(时钟线、总线、接口信号线、射频线、复位信号线、片选信号线和各种控制信号线所在的层)应与完整的地平面相邻,最好两个地平面之间,如图1所示。

关键信号线一般都是强辐射或极度敏感的信号线。靠近地平面布线可以减小信号环路面积,降低其辐射强度或提高抗干扰能力。




2、电源平面应相对于相邻的地平面后缩(推荐值5H~20H)。电源平面相对于其返回地平面的回缩可以有效抑制“边缘辐射”问题,如图2所示。



此外,板子的主要工作电源平面(应用最广泛的电源平面)应靠近其地平面,以有效减小电源电流的环路面积,如图3所示。


3、板子的TOP和BOTTOM层是否没有≥50MHz的信号线。如果是这样,最好将高频信号走在两个平面层之间,以抑制其对空间的辐射。


单层板和双层板设计

对于单层板和双层板的设计,要注意关键信号线和电源线的设计。电源走线旁边必须有地线并与之平行,以减少电源电流环路的面积。

“引导地线”应布设在单层板关键信号线的两侧,如图4所示。双层板关键信号线在投影平面上应有大面积接地,或者和单层板一样的方法,设计“引导地线”,如图5所示。关键信号线两侧的“保护地线”一方面可以减少信号环路面积,并且还防止信号线与其他信号线之间的串扰。




PCB布局技巧

在设计PCB布局时,应充分遵守沿信号流向直线放置的设计原则,尽量避免来回环路,如图6所示,这样可以避免信号直接耦合,影响信号质量.

另外,为防止电路与电子元器件之间的相互干扰和耦合,电路的摆放和元器件的布局应遵循以下原则:


1、如果板子上设计了“干净地”接口,滤波和隔离元件应该放在“干净地”和工作地之间的隔离带上。这可以防止滤波或隔离器件通过平面层相互耦合,从而削弱效果。此外,在“干净的地面”上,除了过滤和保护装置外,不能放置其他装置。

2、多个模块电路放置在同一块PCB上时,数字电路和模拟电路、高速电路和低速电路应分开布局,避免数字电路、模拟电路、高速电路、低速电路相互干扰- 速度电路。另外,当电路板上同时存在高、中、低速电路时,为避免高频电路噪声通过接口向外辐射,应采用图7中的布局原则。

3、电路板电源输入端口的滤波电路应靠近接口放置,避免滤波后的电路重新耦合。

4、接口电路的滤波、保护和隔离元件靠近接口放置,如图9所示,可以有效地达到保护、滤波和隔离的效果。如果接口处既有滤波又有保护电路,应遵循先保护后滤波的原则。由于保护电路用于外部过压和过流抑制,如果将保护电路放在滤波电路之后,滤波电路会因过压和过流而损坏。

另外,由于电路的输入、输出线相互耦合时会削弱滤波、隔离或保护作用,所以要保证滤波电路(filter)、隔离、保护电路的输入、输出线不要在布局过程中相互耦合。

5. 敏感电路或元器件(如复位电路等)应距离电路板各边缘至少1000mils,尤其是电路板接口边缘。


6、储能和高频滤波电容应放置在电流变化较大的单元电路或器件附近(如电源模块的输入输出端、风扇、继电器等),以减小大电流的环路面积循环。



7、滤波元件应并排放置,防止滤波后的电路再次受到干扰。

8. 晶体、晶振、继电器、开关电源等强辐射器件与板接口连接器保持至少1000mils的距离。这样可以将干扰直接向外辐射,也可以将电流耦合到出线电缆向外辐射。


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