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電路板電磁兼容設計

2020-03-22

電磁兼容是指電氣系統、電子設備裝置在預定的安全界限和電磁環境內,設計的性能工作水平不會因電磁感染而導致功能降級。即要求在同一電磁環境下,各種電路設備和電子系統均能順利運行但又不相互干擾,保持良好的兼容狀態。目前PCB板廣泛應用于各類電子設備和系統的裝配中,若設計不當,即使電路原理正確,也會對兼容的可靠性造成影響,因此對電磁兼容性進行設計,保證PCB板的穩定兼容是整個電路系統設計的核心環節。

隨著技術的進步和社會的發展,電子產品的應用越來越普遍,電子產品中的高頻電路的使用也呈現出逐步增長的趨勢。PCB板的設計對高頻電路的工作起著至關重要的作用,會對電路板內部的電壓產生波動,對信號產生較大的干擾,對電子產品的穩定性以及功能的發揮構成了嚴重的威脅。這就需要對PCB板進行設計時,要充分考慮電磁兼容以及抗干擾兩個方面的因素,保證電路的有效運作。

一、PCB板板層設計與電磁兼容

1、選取合適的PCB板

PCB板可分為單面、雙面和多層板:

(1)單面和雙面多用于中低密度布線或低集成度的電路,出于制造成本的考慮,大部分民用電子設備均是采用單面或雙面板。但這兩種結構自身產生的電磁輻射較強,對外界的干擾極為敏感。

(2)多層板在高密度布線和高集成度芯片電路中較為常用,若信號頻率高且電子元器件密集,盡量選擇四層及以上的PCB板。在多層板設計中可專門設置電源層和接地層,縮短信號線與地線的距離,這樣就能大幅度減小所有信號的回路面積,從電磁兼容角度考慮,多層板可有效減少輻射,并提高PCB板抗外界干擾能力。

2、單面板設計

單面PCB板工作頻率通常為只有幾百千赫茲的低頻,低頻限制主要是因為許多高頻電路的設計條件被限制,例如缺乏完整閉合所需要的射頻電流回路和控制條件,線條集膚效應明顯等,磁場和環路天線的問題無法避免。因此單面PCB板對外界射頻干擾極為敏感,例如靜電、快脈沖、輻射或傳導射頻等。在單面PCB板設計中通常不對信號完整性和終端匹配進行考慮,可從電源和接地線設計開始,然后設計高風險信號,并緊靠接地線,物理原則上越近越好,最后再進行其余線條的設計。具體設計措施如下:

(1)電源和接地線確定沿著最關鍵電路信號網絡中的電源盒接地點:(2)將線路劃分為功能子段布線,并著重考慮到敏感元器件和相關I/O端口和連接器的設計要求;(3)最關鍵信號網絡的所有元器件需鄰近放置;(4)若PCB板需要多個接地點,要確定接地點相互連接在一起,并對連接方式進行設計;(5)布設其余線條時,若線條承載RF頻段的能力較多,則需采取通量最小化的設計方式,并確保R F回流路徑始終暢通。

3、雙面板與多層板設計

(1)關鍵電源平面需鄰近對應的地平面,形成耦合電容,與PCB板退耦電容配合可共同降低電源平面阻抗,同時可獲得良好的濾波效果;(2)鄰近層關鍵信號禁止跨越分割區,避免信號環路增大,從而減少強輻射,降低干擾敏感度;(3)時鐘、高頻、高速這些關鍵信號需設計一個相鄰的地平面,例如與地線層相鄰的信號層可作為信號走線的優選層,從而減少信號環路面積,屏蔽輻射;(4)電源平面需小于地平面,通常遵循20H原則向內縮進。

二、PCB板元器件布局

元器件布局首先應考慮到電路系統的機械結構,將所有定位嚴格的元器件放置好并進行定位鎖定,若器件質量較大則不能直接在PCB板上安裝,需在機殼上另設支架。考慮到電磁兼容性,元器件布局需遵循以下設計原則:

(1)發熱元件需設置在偏上方或邊緣部位,與關鍵集成電路保持距離,便于散熱;(2)連接器和引腳需根據元件在PCB板上的位置確定穩固,最好在PCB板的同一側安放,兩側避免引出電纜,減少共模電流輻射;(3)對外界干擾敏感性高的元件需進行隔離設置;(4)高頻狀態下,電阻、電容、引線和接插件的分布電容與電感會對PCB板造成很大影響,因此頻率>l0M hz或上升時間<2ns的高速器件走線要盡可能短;(5)連接器需緊靠I/O驅動器,避免長距離走線耦合不必要的干擾信號;(6)集成電路退耦電容引線需盡量短,并盡量緊靠IC電源引腳,可使用表貼封裝電容。

三、PCB板電磁兼容布線設計

PCB板布線應先從時鐘和感應信號線路入手,然后再加裝高速信號線路,最后完成非必要性布線。在布線設計時需注意以下幾點:

(1)將減少輻射影響作為布線設計的基準,選擇多層板,在內層設計電源和底線,這樣可減少對供電設備的影響和阻抗產生的噪音,且信號線路能與地板連接,提高信號線路與地面的分散電容,對PCB板的空間輻射能力進行控制;(2)要降低高頻信號對外部的融合,可采用布線折線的方法,折線無需90。,但PCB板盡可能采用4 5。:(3)時鐘、模擬電壓輸入線以及參考的電壓段需與數字電路信號線保持一定距離。(4)為了減少高頻信號經過印制導線時產生大量電磁輻射,必須進行抗干擾保護環布線設計。

四、射頻電路PCB板電磁兼容設計

對PCB板的電磁兼容設計,需要遵循一定的原則,通常是從PCB板的布局和PCB板的布線兩個方面著手。

1、PCB板布局原則

首先,要將尺寸大小作為首要的考慮因素,對尺寸的大小有著嚴格的要求。如果尺寸過大,就會增加印制線條的長度,進而增加抗阻,這樣不僅會造成成本的增加,還會減小了抗噪音的能力;若尺寸過小,不僅會對l近的線條造成干擾,同時還影響到散熱功能。對PCB的尺寸做出了相應的規定以后,再確定特殊元件的位置,.最后在電路功能的指導下,對各個元件進,行,體布局。在進行總體布局時,需要做到以下幾點:第一,為了減少參數和電磁的于擾,要最大限度的縮減元件之間的連線長度,并對元件舶位置進行有效的控制辯免易受干擾的元件的距離過近或者是輸入輸出元件的距離過遠;第二,對手電位差較大的元件,要最大可能的加大兩者的距離,避免以為短路的出現;第三對于質量較大的元件,要設置支架進行固定,同時還要考慮其散熱問睡;第四,在進行布局設計時,要圍繞每個功能線路的核心元件,做到整齊、緊湊、均勻。

2、PCB板布線原則

首先,要避免輸入和輸出端的導線平行或者是相鄰,并在加線之間做好地線,進而防止犀縝耦畬的發生。其次,要根據導線和絕緣基板之前的電流通過大小以及粘附的強摩,決定印制板導線的寬度。此外,對于印制導線的拐彎設計要用圓弧形,避免對電路的電氣性能產生不利的影響。與此同時,由于銅箔在受熱以后,會出現脫落或者是膨脹的現象,因此要限制銅箔的使用量,并將其設計為柵格狀,及時的排除產生的揮發性氣體,防止對銅箔的損壞。

五、射頻電路PCB板電磁兼容設計方法與技巧

射頻電路PCB板的電磁兼容設計是一個復黎的過程,要根據電路的具體情況,進行合理的設計,最大限糜的降低干擾溽的干擾,有效的發揮電路的功能。

1、電源線和地線的設計方法與技巧

電源線與地線的設計是整個射頻電路PCB板電磁兼容設計的一個關鍵環節,對于整個電路功能的發揮起著至重要的影響。由于在射頻電路中,地線引起的噪音對電路的影響最為嚴葷,因此,對電源線以及地線的合理設計,可以有效的克服電磁的干擾。要想對電源線以及地線進行合理的設計,需要從以下幾個方面著手:首先,愛將數字地與模擬地隔離開來。對于擁有邏輯電路和線性電路的線路板要進行隔離出來,將兩者分開,而對于低頻電路而言.要采用單點并聯接地的方式進行線路的設置,對于布線難度較大的電路,要進行部分串聯然后并聯到地。一般而言,高頻電路中,采用的是多點并聯接地。其次,對于接地線和電源線的選擇要恰當,因堅持適當加粗的原則只有保證電線的韌性,才能通過對電流的作用影響到接地電位,進而起到提高抗噪性能的作用,這就需要對電線進行加粗處理,保證允許大于印制板三倍的電流通過。同時,要確保電源線和接地線的走向以及數據的傳遞方式保持一致,進而起到降低噪音的作用。

此外,要將接地線設計為閉環線路,利用數字電路組成的印制板,對噪音起到抗干擾的作用,保證了射頻電路的抗噪性能。

2、RF電路PCB板設計方法與技巧

對于RF電路而言,通過采用分區布局和布線的方法,可以實現對PCB板的分解,更大限度的提高RF電路的功能。一般而言,PCB板常常被分為物理分區和電氣分區,前者主要是考慮元件的布局和朝向,而后者關系電源的分配、線路的走向以及信號問題等等。

(1)物理分區:元器件的布局對整個設計起到舉足輕重的影響,因此需要對RF路徑的元器件進行合理的固定,并對其朝向進行合理調整,進而減小路徑的長度,起到將高功率電路和低功率電路分離的作用。為了提高電路的性能,一般將RF線放在表層,而主接地面的線放在第二層,并最大限度的減小過孔的尺寸,進而起到減小路徑電感和主地虛焊點的效果。為了保證電路的抗噪音效果,要將低噪音放大器電路與高功率放大器放在PCB板的兩面,在對兩者進行連接的環節中,采用使用盲孔的方式,這樣可以將通過孔的不利因素降到最低。

(2)電氣分區:為了保證PCB板中濾波器的帶通特性不受到損壞,需要在其周圍和下層區域設置一個圈地,同時將其與周圍環繞的濾波器主地進行連接,并將通過濾波器的信號線與濾波器的引腳分離開來,進而保證濾波器性能的發揮。

緩沖器的設計也是影響整體設計的一個關鍵點,一般將緩沖器置于被驅動電路的后面,這樣可以減少高功率輸出走線的長度,降低輸入信號的電平,可以避免對PCB板上的其他電路造成嚴重的干擾。由于壓控振蕩器可能會引入噪音,因此要小心處理其控制線,一方面要保證走線下方的地時實心的,另一方面要將多有的元器件連接在主地上,做好與噪音線路的隔離。另外,可以通過金屬屏蔽罩對PCB板進行保護。

總結

射頻電路的PCB設計的關鍵要做到最大限度的減少輻射,最大限度的提高整體的抗干擾能力,這就需要對整個射頻電路進行合理的布局和布線設計。本文描述的方法和技巧對提高射頻線路PCB板的整體性能有著積極的作用,是有效解決電磁干擾問題的一個方法之一。

合理分層、布局和布線是PCB板電磁兼容設計中需要著重考慮的問題,本文對PCB板電磁兼容設計的幾種方法進行了分析,并提出了控制自身空間輻射、減少干擾影響的簡要措施。隨著PCB板制造工藝和電磁兼容學的逐步發展,在未來的設計中還需考慮到反射噪聲、退耦電容等方面引起的干擾,在實踐工作中不斷摸索,解決電磁干擾問題。

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