由于随着电子技术的发展,电路板的集成度和信号频率越来越高,不可避免地会带来电磁干扰,所以在PCB的设计中应遵循以下原则,使电路板的电磁干扰可以控制在一定范围内,满足设计要求和标准,提高电路的整体性能。
2.1 PCB 选择标准
PCB设计的首要任务是正确选择电路板的尺寸,如果尺寸太大,元件之间的连接太长,导致线路阻抗增加,抗阻降低。干扰能力。但是尺寸太小会导致元器件排列密集,不利于散热,连接太细太密集,容易造成串扰。因此,应根据系统所需的元器件选择合适尺寸的板卡。
电路板分为单面板、双面板和多层板。电路板层数的选择取决于电路要实现的功能、噪声指标、信号和网络线路的数量等。合理的层设置可以减少电路本身的电磁兼容问题。
通常的选择原则是:
①中低频、元器件少、布线密度较低或中等,采用单面板或双面板。
②布线密度高、集成度高、元器件多的多层板。
③对于高信号频率、高速集成电路,元器件密集选用4层以上电路板。多层板在设计时可用作电源层、信号层和连接层。减小了信号环路面积,从而减少了差模辐射。因此,多层板可以减少电路板的辐射,提高抗干扰能力。
2.2 PCB 元件放置
在确定PCB的尺寸后,首先要确定特殊元件的位置,最后根据电路的功能单元,将电路的所有元件分块布局。数字电路单元、模拟电路单元和电源电路单元要分开,高频电路单元和低频电路单元也要分开。一般在布置高速、中速、低速电路时,应参照图1(a)布置元件。配置时钟、CPU、内存、控制器、输入输出电路等元器件时,应参照图1(b)进行配置。常用电路板的布局原则如下。
图 1. (a) 高速、中速和低速电路布局
(b) 高速逻辑电路布局
(一)特殊元件位置确定原则:
①发热体应放置在便于散热的位置,如PCB边缘,远离微处理器芯片。
②特殊高频元件应并排放置,以缩短它们之间的连接;
④可调元件的布置,如电位器、可调电感、可变电容、按键开关等,应满足整机结构要求,并便于调整。
⑤重质部件应采用支架固定。
⑥EMI 滤波器应靠近 EMI 源放置。
图 2. PCB 元件布局
(2)按电路的功能单元布置电路伞形元件的原则:
①各功能电路应根据它们之间的信号流向确定相应的位置,以方便接线。
②各功能电路应先确定核心元件的位置,并在其周围放置其他元件,尽可能缩短元件之间的连接。
③对于高频电路,应考虑元器件之间的分布参数。
④放置在电路板边缘的元器件距离电路板边缘不小于2mm。
⑤DC/DC转换器、开关管和整流器应尽量靠近变压器放置,以减少外部辐射。
⑥调压元件和滤波电容应靠近整流二极管放置。
2.3 PCB布线原理
PCB电源和地线的布线是否合理是降低整个电路板电磁干扰的关键。电源线和地线的设计是PCB中不可忽视的问题,往往也是最难的设计。设计中应遵循以下原则。
a.接线技巧
PCB上的布线以阻抗、容抗和感抗等分布参数为特征。为了减少PCB布局参数对高速电子系统的影响,电源和地的布线原则如下:
①通过增加走线间距来减少电容耦合串扰。
②电源线和地线应平行走线,以优化分布电容。
③根据载流电流的大小,尽量增加电源线和地线的宽度,以减小回路电阻,并在各功能电路中电源线和地线的走向和信号传输方向一致,有利于提高抗干扰能力。
④电源线和地线应直接在上方走线,以减少感抗和最小化回路面积,并尽量使地线低于电源线。
⑤地线越粗越好,一般地线宽度不小于3mm。
⑥地线形成闭环,减小地线上的电位差,提高抗干扰能力。
⑦在多层板布线的设计中,可以将其中一层视为“全地平面”,可以降低接地阻抗,同时起到屏蔽的作用。
b.接地技巧
PCB各功能电路的接地方式分为单点接地和多点接地。根据连接形式,单点接地可分为单点串联接地和单点并联接地,如图3(a)和(b)所示。单点串联接地常用于保护接地线,因为接地线的长度不同,各电路的接地阻抗也不同,降低了电磁兼容性。单点并联的每个电路都有单独的接地线,相互之间的干扰小,但可能会延长接地线,增加接地阻抗,常用于信号接地、模拟接地和电源接地。多点接地是指每个电路都有一个连接点,如图3(c)所示。多点接地常用于高频电路中,接地线短,接地阻抗小,以减少高频信号的干扰。
图 3. (a) 单点串联接地
(b) 单点并联接地
(c) 多点接地
为了减少接地引起的干扰,接地还应满足一定的要求:
①接地线尽量短,接地面要大。
②避免不必要的接地回路,降低公共地的干扰电压。
③接地原则是对不同的信号采用不同的接地方式,不能全部接地在同一个地方;
④在多层PCB的设计中,电源层和连接层尽量放在相邻的层,这样可以在电路中形成该层的电容,减少电磁干扰。
⑤尽量避免强弱电信号、数字和模拟信号。
C。网格设计
网格是两层面板最重要的设计技术。网格化就是在PCB上延长地线,利用地线填充的方式,构建与地相连的网格网络,形成有效的地平面,可以降低噪声,四层板也一样。
它有两个目的:
①模拟四层板的层数,并在底部为每条信号线提供返回路径。
②减小微处理器与稳压器之间的阻抗。
设计中需要注意的原则是:
①每一根地线都尽可能地延伸以填满印刷电路板的空间。
②在两层板上尽可能多地放置格栅。
③使用尽可能多的孔,适时连接上、下格栅。
④线条不必是直角或等宽。
d。使用高频去耦电容和铁氧体磁珠
在数字电路中,当逻辑门的状态发生变化时,会在电源上产生很大的峰值脉冲,形成瞬时噪声电压。在这种情况下,通常使用去耦电容或铁氧体磁珠来限制电流的突变并减少辐射。通常,高频去耦电容的容量约为0.01。m uF 为 0.1。在每个芯片的电源和地之间施加μF,并在靠近芯片的电源线上放置一个铁氧体磁珠,以阻挡电源线的RF电流源。我们在设计的时候应该尽量做到:
②电容离芯片越近越好,去耦电容的引线不要太长。
③铁氧体磁珠只用在+V的电源线上,不需要在地线上。
④铁氧体磁珠尽量靠近噪声源。
图 4. 铁氧体磁珠在去耦电路中的应用
2.4 PCB 信号线接线
a.减少线路电容和电感串扰
做线材时,信号线的布线原理,即使在短距离的线路之间和线路上,也存在容性和感性串扰。当电容耦合时,源端的上升沿会导致受扰端的上升沿。在电感耦合期间,受害端的电压变化与源端的变化相反。大部分串扰是电容性的,噪声的大小与平行距离、频率、源电压幅度和受干扰的阻抗成正比,与两条线路的距离成反比。因此,减少串扰的措施是:
①保持与微处理器相连的射频噪声承载线远离其他信号。
②可能受噪声影响的信号返回地线应在其下方布线。
③不要将噪声线留在电路板外缘。
④如有可能,将一些噪声线一起布线,并用地线环绕。
⑤非噪声线路远离电路板上容易接收噪声的区域,如连接器、振荡电路、继电器和继电器驱动器。
b.合理安排返回地线数量
在计算机行业,一根电缆或电线中每 9 根信号线至少有 1 根地线,这是一种非常普遍的经验。在高速时,该比率变为 5%。设计信号线和返回线时可以考虑的原则:
①电缆中的每条信号线最好有一根返回地线,形成一对双绞线。
②每 9 根信号线不要超过一根返回地线。
③如果电缆长度超过一英尺,则每 4 根信号线应配备一根返回地线。
④如有可能,应采用实心金属支架作为机械支架,焊接在两块电路板之间,既作为安装支架,又作为可靠的射频返回地线。
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