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                    PCB設計

                    PCB電磁兼容設計應參考的模塊劃分和器件布局

                    發布時間:2016-04-08 20:07:06

                    本文主要內容:在具體的電路中正確進行模塊劃分和器件布局

                    討論PCB的電磁兼容設計,不能不討論PCB的模塊劃分及關鍵器件布局。一方面是因為某些頻率發生器件、驅動器、電源模塊、濾波器件等在PCB上的相對位置和方向都會對電磁場的發射和接收產生巨大影響,另一方面是因為以上布局的優劣將直接影響到布線的質量。

                    模塊劃分

                    按功能劃分

                    各種電路模塊實現不同的功能,比如時鐘電路、放大電路、驅動電路、A/D、D/A轉換電路、I/O電路、開關電源、濾波電路等,它們實現的功能是各不相同的。

                    一個完整的設計可能包含了其中多種功能的電路模塊,在進行PCB設計時,可依據信號流向,對整個電路進行模塊劃分,從而保證整個布局的合理性,達到整體布線路徑最短,各個模塊互不交錯,減少模塊間互相干擾的可能性。

                    按頻率劃分

                    按照信號的工作頻率和速率可以對電路模塊進行劃分;高、中、低頻率漸次展開,互不交錯。

                    按信號類型劃分

                    按信號類型可以分為數字電路和模擬電路兩部分。

                    為了降低數字電路對模擬電路的干擾,使他們能和平共處,達到兼容狀態,在PCB布局時需要給他們定義不同的區域,從空間上進行必要的隔離,減小相互之間的耦合。對于數、模轉換電路,如A/D、D/A轉換電路,應該布放在數字電路和模擬電路的交界處,器件放置的方向應以信號的流向為前提,使信號引線距離最短,并使模擬部分的管腳位于數字地的上方。

                    器件布局

                    綜合布局

                    電路布局的一個原則就是應該按照信號流向關系,盡可能做到使關鍵的高速信號走線最短,其次考慮電路板的整齊、美觀。時鐘信號應盡可能短,若時鐘走線無法縮短,則應在時鐘線的兩側加屏蔽地線,對于比較敏感的信號線,也應考慮屏蔽措施。

                    時鐘電路具有較大的對外輻射,會對一些敏感的電路,特別是模擬電路產生較大的影響,因此在電路布局時應讓時鐘電路遠離其他無關電路,為了防止時鐘信號的對外輻射,時鐘電路一般應遠離I/O電路和電纜連接器。

                    低頻數字I/O電路和模擬I/O電路應靠近連接器布放,時鐘電路、高頻電路和存儲器等器件常布放在電路板的最靠近里邊的位置,中低頻邏輯電路一般放在電路板的中間位置;如果有A/D、D/A電路,則一般放在電路板的中間位置。

                    下面是一些基本要點。

                    1. 1. 區域分割,不同功能種類的電路應該放于不同的區域,如對數字電路、模擬電路、接口電路、時鐘、電源等進行分區。
                    2. 2. 數、模轉換電路應布放在數字電路區域和模擬電路區域的交界處。
                    3. 3. 時鐘電路、高速電路、存儲器電路應布放在電路板最靠近里邊的位置,低頻數字I/O電路和模擬I/O電路應靠近連接器布放。
                    4. 4. 應該采用基于信號流的布局,使關鍵信號的高頻信號的連線最短,而不是首先考慮電路板的整齊、美觀。
                    5. 控制驅動部分遠離屏蔽體的局部開孔,并應盡快離開本板。
                    6. 5. 晶體、晶振等應就近與對應的IC放置。
                    7. 6. 基準電壓源(模擬電壓信號輸入線、A/D變換參考電源)要盡量遠離數字信號。

                    特殊器件的布局

                    電源部分

                    在分散供電的電路板上都要有一個或者多個DC/DC電源模塊,加上與之相關的電路,如濾波、防護等電路共同構成電路板電源的輸入部分。

                    現代的開關電源是EMI產生的重要源頭,干擾頻帶可以達到300MHz以上,系統中多個單板都有自己獨立的電源,但干擾卻能通過背板或空間傳播到其他的單板上,而單板供電線路越長,產生的問題越大,所以電源部分必須安裝在單板電源入口處,如果存在大面積的電源部分,也要求統一放在單板一側。

                    電源部分放置方向上主要是考慮輸入/輸出線的順暢,避免交叉。

                    另外,因為往往單板的電源部分相對比較獨立,而又常常會產生EMI的問題,所以推薦利用過孔帶或分割線將電源部分和其他電路部分進行分割。

                    時鐘部分

                    時鐘往往是單板最大的干擾源,也是進行PCB設計時最需要特殊處理的地方,布局時一方面要使時鐘源離單板的邊距離盡量大,另一方面要使時鐘輸出到負載的走線盡量短。

                    電感線圈

                    線圈(包括繼電器)是最有效的接收和發射磁場的器件,建議線圈放置在離EMI源盡量遠的地方,這些發射源可能是開關電流、時鐘輸出、總線驅動等。

                    線圈下方PCB板上不能有高速走線或敏感的控制線,如果不能避免,就一定要考慮線圈的方向問題,要使場強方向和線圈的平面平行,保證穿過線圈的磁力線最少。

                    總線驅動部分

                    隨著系統容量越來越大,總線速率越來越高,總線驅動能力要求也越來越高,而總線數量也大量增加,總線匹配難以做到十分完美,所以一般總線驅動器附近的輻射場強很強,總線驅動器是時鐘之外的另一主要EMI源。

                    在布局上,要求總線驅動部分離單板拉手條的距離盡量遠,減小對系統外的輻射,同時要求驅動后的信號到末端的距離盡量靠近。

                    濾波器件

                    濾波措施是必不可少也是最常用的手段,原理設計中提到了很多的濾波措施,比如去耦電容、三端電容、磁珠、電源濾波、接口濾波等,但在進行PCB設計時,如果濾波器的位置放置不當,那么濾波效果將大打折扣,甚至起不到濾波作用。

                    濾波器件的安裝一般考慮的是就近原則:

                    1. 1. 去耦電容要盡量靠近IC的電源管腳;
                    2. 2. 電源濾波要盡量靠近電源輸入或電源輸出;
                    3. 3. 局部功能模塊的濾波要靠近模塊的入口;
                    4. 4. 對外接口的濾波要盡量靠近接插件等。

                    在具體的電路中正確進行模塊劃分和器件布局

                    討論PCB的EMC設計,不能不討論PCB的模塊劃分及關鍵器件布局。一方面是因為某些頻率發生器件、驅動器、電源模塊、濾波器件等在PCB上的相對位置和方向都會對電磁場的發射和接收產生巨大影響,另一方面是因為以上布局的優劣將直接影響到布線的質量。

                    模塊劃分

                    按功能劃分

                    各種電路模塊實現不同的功能,比如時鐘電路、放大電路、驅動電路、A/D、D/A轉換電路、I/O電路、開關電源、濾波電路等,它們實現的功能是各不相同的。

                    一個完整的設計可能包含了其中多種功能的電路模塊,在進行PCB設計時,可依據信號流向,對整個電路進行模塊劃分,從而保證整個布局的合理性,達到整體布線路徑最短,各個模塊互不交錯,減少模塊間互相干擾的可能性。

                    按頻率劃分

                    按照信號的工作頻率和速率可以對電路模塊進行劃分;高、中、低頻率漸次展開,互不交錯。

                    按信號類型劃分

                    按信號類型可以分為數字電路和模擬電路兩部分。

                    為了降低數字電路對模擬電路的干擾,使他們能和平共處,達到兼容狀態,在PCB布局時需要給他們定義不同的區域,從空間上進行必要的隔離,減小相互之間的耦合。對于數、模轉換電路,如A/D、D/A轉換電路,應該布放在數字電路和模擬電路的交界處,器件放置的方向應以信號的流向為前提,使信號引線距離最短,并使模擬部分的管腳位于數字地的上方。

                    器件布局

                    綜合布局

                    電路布局的一個原則就是應該按照信號流向關系,盡可能做到使關鍵的高速信號走線最短,其次考慮電路板的整齊、美觀。時鐘信號應盡可能短,若時鐘走線無法縮短,則應在時鐘線的兩側加屏蔽地線,對于比較敏感的信號線,也應考慮屏蔽措施。

                    時鐘電路具有較大的對外輻射,會對一些敏感的電路,特別是模擬電路產生較大的影響,因此在電路布局時應讓時鐘電路遠離其他無關電路,為了防止時鐘信號的對外輻射,時鐘電路一般應遠離I/O電路和電纜連接器。

                    低頻數字I/O電路和模擬I/O電路應靠近連接器布放,時鐘電路、高頻電路和存儲器等器件常布放在電路板的最靠近里邊的位置,中低頻邏輯電路一般放在電路板的中間位置;如果有A/D、D/A電路,則一般放在電路板的中間位置。

                    下面是一些基本要點。

                    1. 1. 區域分割,不同功能種類的電路應該放于不同的區域,如對數字電路、模擬電路、接口電路、時鐘、電源等進行分區。
                    2. 2. 數、模轉換電路應布放在數字電路區域和模擬電路區域的交界處。
                    3. 3. 時鐘電路、高速電路、存儲器電路應布放在電路板最靠近里邊的位置,低頻數字I/O電路和模擬I/O電路應靠近連接器布放。
                    4. 4. 應該采用基于信號流的布局,使關鍵信號的高頻信號的連線最短,而不是首先考慮電路板的整齊、美觀。
                    5. 5. 控制驅動部分遠離屏蔽體的局部開孔,并應盡快離開本板。
                    6. 6. 晶體、晶振等應就近與對應的IC放置。
                    7. 7. 基準電壓源(模擬電壓信號輸入線、A/D變換參考電源)要盡量遠離數字信號。

                    特殊器件的布局

                    電源部分

                    在分散供電的電路板上都要有一個或者多個DC/DC電源模塊,加上與之相關的電路,如濾波、防護等電路共同構成電路板電源的輸入部分。

                    現代的開關電源是EMI產生的重要源頭,干擾頻帶可以達到300MHz以上,系統中多個單板都有自己獨立的電源,但干擾卻能通過背板或空間傳播到其他的單板上,而單板供電線路越長,產生的問題越大,所以電源部分必須安裝在單板電源入口處,如果存在大面積的電源部分,也要求統一放在單板一側。

                    電源部分放置方向上主要是考慮輸入/輸出線的順暢,避免交叉。

                    另外,因為往往單板的電源部分相對比較獨立,而又常常會產生EMI的問題,所以推薦利用過孔帶或分割線將電源部分和其他電路部分進行分割。

                    時鐘部分

                    時鐘往往是單板最大的干擾源,也是進行PCB設計時最需要特殊處理的地方,布局時一方面要使時鐘源離單板的邊距離盡量大,另一方面要使時鐘輸出到負載的走線盡量短。

                    電感線圈

                    線圈(包括繼電器)是最有效的接收和發射磁場的器件,建議線圈放置在離EMI源盡量遠的地方,這些發射源可能是開關電流、時鐘輸出、總線驅動等。

                    線圈下方PCB板上不能有高速走線或敏感的控制線,如果不能避免,就一定要考慮線圈的方向問題,要使場強方向和線圈的平面平行,保證穿過線圈的磁力線最少。

                    總線驅動部分

                    隨著系統容量越來越大,總線速率越來越高,總線驅動能力要求也越來越高,而總線數量也大量增加,總線匹配難以做到十分完美,所以一般總線驅動器附近的輻射場強很強,總線驅動器是時鐘之外的另一主要EMI源。

                    在布局上,要求總線驅動部分離單板拉手條的距離盡量遠,減小對系統外的輻射,同時要求驅動后的信號到末端的距離盡量靠近。

                    濾波器件

                    濾波措施是必不可少也是最常用的手段,原理設計中提到了很多的濾波措施,比如去耦電容、三端電容、磁珠、電源濾波、接口濾波等,但在進行PCB設計時,如果濾波器的位置放置不當,那么濾波效果將大打折扣,甚至起不到濾波作用。

                    濾波器件的安裝一般考慮的是就近原則:

                    1. 1. 去耦電容要盡量靠近IC的電源管腳;
                    2. 2. 電源濾波要盡量靠近電源輸入或電源輸出;
                    3. 3. 局部功能模塊的濾波要靠近模塊的入口;
                    4. 4. 對外接口的濾波要盡量靠近接插件等。

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