PCB設計中的電磁兼容性淺析論文
隨著(zhù)信息化技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品的數量及種類(lèi)不斷增加，其功能和速度也在不斷提高，使印制電路板(PCB)電子器件密度越來(lái)越大，走線(xiàn)越來(lái)越宰，信號頻率越來(lái)越高，不可避免地會(huì )引入電磁兼容性(EMC-Electro magnetic Compatibility)的問(wèn)題。產(chǎn)品電磁兼容性能的高低，已經(jīng)成為衡量電子產(chǎn)品與系統質(zhì)量的一個(gè)重要指標。在保持系統功能的情況下，通過(guò)PCB設計和布置可從根源上消除電磁干擾并提高其抗擾度;反之，若設計不當，則將使載有小功率、高精度、快速邏輯，或連接到高阻抗終端的一些導線(xiàn)受到寄生電感或介質(zhì)吸收的影響，致使PCB板發(fā)生EMC問(wèn)題。
任何電磁兼容問(wèn)題都包含三個(gè)要素，即輻射源，耦合路徑，敏感設備。因此，在解決電磁兼容問(wèn)題時(shí)，也要從這三方面著(zhù)手進(jìn)行分析，進(jìn)而采取適當的措施消除或減小電磁干擾。
1 PCB設計與布線(xiàn)技術(shù)
1.1元器件布局
元器件布局時(shí)，注意以下幾點(diǎn)可以避免出現許多的電磁兼容問(wèn)題：
1.發(fā)熱元件遠離關(guān)鍵集成電路。
2.某些敏感器件例如鎖相環(huán)，對噪聲干擾特別敏感，它們需要更高層次的隔離。解決的方法是在敏感器件周?chē)碾娫淬~箔上蝕刻出馬蹄形將能得到良好的隔離性。該期間使用的所有信號進(jìn)出都通過(guò)狹窄的馬蹄形根部的開(kāi)口。噪聲電流必然在開(kāi)口周?chē)?jīng)過(guò)而不會(huì )接近敏感部分。使用這種方法時(shí)，確保所有其它信號都遠離被隔離的部分。這種設計方法可以避免能夠引起干擾的噪聲信號的產(chǎn)生。
3.連接器及其引腳應根據元器件在板上的位置確定。所有連接器最好放在印制板的一側，盡量避免從兩側引出電纜，以便減小共模電流輻射。
4.高速器件(頻率大于10兆赫或上升時(shí)間小于2ns的器件)在印刻電路板上的走線(xiàn)盡可能短。
5.I/O驅動(dòng)器應緊靠連接器，避免I/O信號在板上長(cháng)距離走線(xiàn)，耦合不必要的干擾信號。
1.2確定PCB走線(xiàn)形式
PCB走線(xiàn)形式對信號的傳輸會(huì )產(chǎn)生很大的影響，直角走線(xiàn)一般是PCB布線(xiàn)中要盡量避免的情況。直角連線(xiàn)對信號的影響主要體現在三個(gè)方面：
1.拐角可以等效為傳輸線(xiàn)上的容性負載，減緩上升時(shí)間;
2.阻抗不連續會(huì )造成信號發(fā)射;
3.直角尖端會(huì )產(chǎn)生電磁干擾。
4.所以在PCB板中一般采用45度拐角或圓弧形拐角。
1.3電源線(xiàn)及電線(xiàn)布局
1.電源線(xiàn)從電源出發(fā)，經(jīng)過(guò)負載再返回，形成一個(gè)小的環(huán)形天線(xiàn)，其在高頻時(shí)效率極高，因此，在考慮安全的條件下，電源線(xiàn)應盡可能靠近地線(xiàn)，以減小差模輻射的環(huán)面積，也有助于減小電路的交擾。在部件電源的布線(xiàn)過(guò)程中，電源及其返回線(xiàn)路必須平行走向，可以產(chǎn)生一個(gè)低阻抗小環(huán)路的傳輸線(xiàn)結構。
2.在小信號電路與大電流做在一起的電路中，必須將GND明顯地區分開(kāi)來(lái)。布線(xiàn)方法為將小信號GND與大電流的GND進(jìn)行分離，通常使用兩根引線(xiàn)的GND。使大電流不再布線(xiàn)電阻上流動(dòng)，從而不產(chǎn)生干擾，如像功率放大級和負載那樣，將大電流流動(dòng)的部分由電源直接進(jìn)行布線(xiàn)。還有，將小信號部分進(jìn)行匯總，也直接由電源進(jìn)行布線(xiàn)。如果這樣做，小信號與大電流線(xiàn)完全分離，再將匯總的小信號GND與功率放大級的GND相連接。
3.正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。在低頻電路中，信號的工作頻率小于1MHz，它的布線(xiàn)與器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而應采用一點(diǎn)接地的方式。當信號工作頻率大于10MHz時(shí)，地線(xiàn)阻抗變得很大，此時(shí)應盡量降低地線(xiàn)阻抗，應采用就近多點(diǎn)接地。當工作頻率在1MHz—10MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其電線(xiàn)長(cháng)度不應超過(guò)波長(cháng)的1/20，否則應采用多點(diǎn)接地法。
4.數字地與模擬地分開(kāi)。電路板上既有高速邏輯電路，又有線(xiàn)性電路，應使它們盡量分開(kāi)，而兩者的地線(xiàn)不要相混，分別于電源端地線(xiàn)相連。低頻電路的地應盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線(xiàn)有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地;高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線(xiàn)應短而粗。高頻元件周?chē)M量用柵格狀大面積地箔，要盡量加大線(xiàn)性電路的接地面積。
5.接地線(xiàn)應盡量加粗。若接地線(xiàn)用很細的線(xiàn)條，則接地電位會(huì )隨電流的變化而變化，致使電子產(chǎn)品的定時(shí)信號電平不穩，抗噪聲性能降低。因此應將接地線(xiàn)盡量加粗，使它能通過(guò)三倍于印刷電路板的允許電流。如有可能，接地線(xiàn)的寬度應大于3mm。
6.接地線(xiàn)構成閉環(huán)路。設計只由數字電路組成的印刷電路板的地線(xiàn)系統時(shí)，將接地線(xiàn)做成閉路可以明顯地提高抗噪聲能力。其原因在于：印刷電路板上有很多集成電路元件，尤其遇有耗電多的`元件時(shí)，因受接地線(xiàn)粗細的限制，會(huì )在底線(xiàn)上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降;若將接地線(xiàn)構成環(huán)路，則會(huì )縮小電位差值，提高電子設備的抗噪聲能力。
2 PCB電磁兼容性的仿真分析與優(yōu)化
采用軟件對PCB進(jìn)行電磁兼容預仿真分析，在產(chǎn)品的設計階段就可大體估計所設計PCB的電磁兼容性能，了解PCB上場(chǎng)的分布于趨勢，這對合理布局布線(xiàn)起到了很大的幫助。從而可以大大提高產(chǎn)品性能，節約成本，縮短研發(fā)時(shí)間，加快產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)步伐，為占領(lǐng)大的市場(chǎng)份額爭取了寶貴時(shí)間，提高經(jīng)濟效益。
Cadence PSD 是Cadence公司著(zhù)名的電路設計軟件，它提供了完整的電路設計解決方案，從原理圖板圖設計，到電路分析仿真、封裝等�？捎糜诘�、高頻，數�；旌想娐返脑O計。我們主要采用Cadence PSD軟件包中的Concept HDL工具和Allegro工具來(lái)完成電路原理圖的繪制和板圖的生成。Concept HDL工具支持行為級和結構級的原理圖設計繪制，它提供一個(gè)可用文本和圖形進(jìn)行設計的設計環(huán)境，包括可用于快速設計的塊編輯功能。Concept HDL是一個(gè)基于參照的編輯器，因為他在原理圖中參照的所有部件來(lái)自駐留在參照區或者本地區內的各種各樣的庫中。Allegro主要功能是在自我設定的有效參數條件下，自動(dòng)或手動(dòng)完成元件布局及布線(xiàn)，生成適合要求的PCB。
隨后利用Ansoft Designer軟件進(jìn)行PCB的場(chǎng)仿真，可得到我們想要的PCB的電流圖和EM近場(chǎng)分布圖。在仿真模型圖中依據前面所提到得元件布局和走線(xiàn)原則適當調整強場(chǎng)區中的信號線(xiàn)和敏感元件位置，使之原理強場(chǎng)區，進(jìn)而減少電磁干擾。
根據軟件仿真結果分析PCB的電磁兼容性能，并對PCB板圖加以?xún)?yōu)化。仿真所得的電流圖和近場(chǎng)分布圖對電路的合理設計和布局有重要的指導作用。
3 結束語(yǔ)
電磁干擾已成為線(xiàn)路設計所面臨的主要問(wèn)題之一，PCB設計中的抗干擾是一項實(shí)踐性非常強的技術(shù)工作。元件間的合理布局、增大布線(xiàn)間距、短線(xiàn)連接、減少布線(xiàn)過(guò)程中的過(guò)孔設置、降低連線(xiàn)的特性阻抗、避免多頻率交調影響等式減少電磁干擾的有效方法。良好的PCB設計可以大大提高系統的抗干擾能力，從而提高系統可靠性。
參考文獻
[1] 林國榮 電磁干擾及控制，北京電子出版社，2002
[2] [日]青本英彥著(zhù)，周南生譯. 模擬電路設計與制作[M]，北京：科學(xué)出版社，2005.4 [3] Bruce Carter. Circuit board layout technique, document from TI
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