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如何避免在PCB設計中出現電磁問題?
日期:2022-06-07 10:45:46作者:百檢 人氣:0

  電磁兼容性(EMC)及關聯的電磁干擾(EMI)歷來都需要系統設計工程師擦亮眼睛,在當今電路板設計和元器件封裝不斷縮小、OEM要求更高速系統的情況下,這兩大問題尤其令PCB布局和設計工程師頭痛。


  EMC與電磁能的產生、傳播和接收密切相關,PCB設計中不希望出現EMC。電磁能來自多個源頭,它們混合在一起,因此必須特別小心,確保不同的電路、走線、過孔和PCB材料協同工作時,各種信號兼容且不會相互干擾。


  另一方面,EMI是由EMC或不想要的電磁能產生的一種破壞性影響。在這種電磁環境下,PCB設計人員必須確保減少電磁能的產生,使干擾*小。


  避免在PCB設計中出現電磁問題的7個技巧


  技巧1:將PCB接地


  降低EMI的一個重要途徑是設計PCB接地層。*步是使PCB電路板總面積內的接地面積盡可能大,這樣可以減少發射、串擾和噪聲。將每個元器件連接到接地點或接地層時必須特別小心,如果不這樣做,就不能充分利用可靠的接地層的中和效果。


  一個特別復雜的PCB設計有幾個穩定的電壓。理想情況下,每個參考電壓都有自己對應的接地層。但是,如果接地層太多會增加PCB的制造成本,使價格過高。折衷的辦法是在三到五個不同的位置分別使用接地層,每一個接地層可包含多個接地部分。這樣不僅控制了電路板的制造成本,同時也降低了EMI和EMC。


  如果想使EMC*小,低阻抗接地系統十分重要。在多層PCB中,*好有一個可靠的接地層,而不是一個銅平衡塊(copperthieving)或散亂的接地層,因為它具有低阻抗,可提供電流通路,是*佳的反向信號源。


  為解決多層PCB中的EMC問題,*好有一個可靠的接地層,而不是銅平衡塊(copperthieving)或散亂的接地層


  信號返回地面的時長也非常重要。信號往返于信號源的時間必須相當,否則會產生類似天線的現象,使輻射的能量成為EMI的一部分。同樣,向/從信號源傳輸電流的走線應盡可能短,如果源路徑和返回路徑的長度不相等,則會產生接地反彈,這也會產生EMI。


  如果信號進出信號源的時間不同步,則會產生類似天線的現象,從而輻射能量,引起EMI


  技巧2:區分EMI


  由于EMI不同,一個很好的EMC設計規則是將模擬電路和數字電路分開。模擬電路的安培數較高或者說電流較大,應遠離高速走線或開關信號。如果可能的話,應使用接地信號保護它們。在多層PCB上,模擬走線的布線應在一個接地層上,而開關走線或高速走線應在另一個接地層。因此,不同特性的信號就分開了。


  有時可以用一個低通濾波器來消除與周圍走線耦合的高頻噪聲。濾波器可以抑制噪聲,返回穩定的電流。將模擬信號和數字信號的接地層分開很重要。由于模擬電路和數字電路有各自獨特的特性,將它們分開至關重要。數字信號應該有數字接地,模擬信號應該終止于模擬接地。


  在數字電路設計中,有經驗的PCB布局和設計工程師會特別注意高速信號和時鐘。在高速情況下,信號和時鐘應盡可能短并鄰近接地層,因為如前所述,接地層可使串擾、噪聲和輻射保持在可控制的范圍。


  數字信號也應遠離電源平面。如果距離很近,就會產生噪聲或感應,從而削弱信號。


  技巧3:串擾和走線是重點


  走線對確保電流的正常流動特別重要。如果電流來自振蕩器或其它類似設備,那么讓電流與接地層分開,或者不讓電流與另一條走線并行,尤其重要。兩個并行的高速信號會產生EMC和EMI,特別是串擾。必須使電阻路徑*短,返回電流路徑也盡可能短。返回路徑走線的長度應與發送走線的長度相同。


  對于EMI,一條叫做“侵犯走線”,另一條則是“受害走線”。電感和電容耦合會因為電磁場的存在而影響“受害”走線,從而在“受害走線”上產生正向和反向電流。這樣的話,在信號的發送長度和接收長度幾乎相等的穩定環境中就會產生紋波。


  在一個平衡良好、走線穩定的環境中,感應電流應相互抵消,從而消除串擾。但是,我們身處不完美的世界,這樣的事不會發生。因此,我們的目標是必須將所有走線的串擾保持在*小水平。如果使并行走線之間的寬度為走線寬度的兩倍,則串擾的影響可降至*低。例如,如果走線寬度為5密耳,則兩條并行走線之間的*小距離應為10密耳或更大。


  隨著新材料和新的元器件不斷出現,PCB設計人員還必須繼續應對電磁兼容性和干擾問題。


  技巧4:去耦電容


  去耦電容可減少串擾的不良影響,它們應位于設備的電源引腳和接地引腳之間,這樣可以確保交流阻抗較低,減少噪聲和串擾。為了在寬頻率范圍內實現低阻抗,應使用多個去耦電容。


  放置去耦電容的一個重要原則是,電容值*小的電容器要盡可能靠近設備,以減少對走線產生電感影響。這一特定的電容器盡可能靠近設備的電源引腳或電源走線,并將電容器的焊盤直接連到過孔或接地層。如果走線較長,請使用多個過孔,使接地阻抗*小。


  技巧5:避免90°角


  為降低EMI,應避免走線、過孔及其它元器件形成90°角,因為直角會產生輻射。在該角處電容會增加,特性阻抗也會發生變化,導致反射,繼而引起EMI。要避免90°角,走線應至少以兩個45°角布線到拐角處。


  技巧6:使用過孔需謹慎


  在幾乎所有PCB布局中,都必須使用過孔在不同層之間提供導電連接。PCB布局工程師需特別小心,因為過孔會產生電感和電容。在某些情況下,它們還會產生反射,因為在走線中制作過孔時,特性阻抗會發生變化。


  同樣要記住的是,過孔會增加走線長度,需要進行匹配。如果是差分走線,應盡可能避免過孔。如果不能避免,則應在兩條走線中都使用過孔,以補償信號和返回路徑中的延遲。


  技巧7:電纜和物理屏蔽


  承載數字電路和模擬電流的電纜會產生寄生電容和電感,引起很多EMC相關問題。如果使用雙絞線電纜,則會保持較低的耦合水平,消除產生的磁場。對于高頻信號,必須使用屏蔽電纜,其正面和背面均接地,消除EMI干擾。


  物理屏蔽是用金屬封裝包住整個或部分系統,防止EMI進入PCB電路。這種屏蔽就像是封閉的接地導電容器,可減小天線環路尺寸并吸收EMI。


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