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PCB电路设计过程中电磁干扰等问题的讨论

出处:电子发烧友网 发布于:2018-06-06 13:38:57 | 163 次阅读

PCB电路设计在生产生活中至关重要,本文从电磁兼容这一问题出发,讨论PCB电路设计,以及在设计PCB电路过程中存在的电磁干扰等问题。分析单线,多导体线和元器件的设置、路线,从而得出关于PCB电路中布线的一些设计规范和技能。如果将这些原则和规范使用于电路设计的最初环节,那么存在于布线中的电磁干扰问题就会被PCB电路设计师很快的解决。

所谓PCB(Printed Circuit Board),实际上就是印制线路板,它是一种较为重要的电子产品,是电子元器件电气连接的提供者,在电路元件与电器件之间的衔接上,起重大的作用。是电子元器件的支撑体,对电路元件和器件起支撑作用。抗干扰能力的强弱直接受印制线路板设计的优良影响。因此,线路的设置安排和抗干扰能力是设计师在设计线路时必须同时兼顾的。PCB印制线路板根据电路层数可分为单面板、双面板和多层板。常见的多层板一般为4层板或6层板,复杂的多层板可达十几层。

尽管电子工程人员经过很多年的设计与实践,已经总结出了一些规范和设计经验,但是截至目前,国家在这一方面并没有明确的要求和规则。基于此,实践中我们只能在设计电路过程中充分的运用设计原则和相关规则,进行整体规划与设计,尤其是进行电路的抗干扰设计。做到以上这些,就能有效避免电路设计实践中出现严重的电磁干扰问题,而且还能有效的降低频率和节约设计成本费用,对于有效减少电气电路设计时间具有非常重要的作用。

1 印制电路板中电磁环境的构成

电磁干扰源,耦合途径和接收器这3个部分组成一个简单的电磁干扰模型,如图1所示。

PCB电路设计过程中电磁干扰等问题的讨论

微处理器、微控制器、静电放电、传送器以及瞬时功率执行元件都是常见的干扰源,在印制线路板中出现的频率较高。时钟电路通常情况下在一个微控制系统里是最大的宽带噪声发生器。

传导耦合和辐射耦合二者共同构成了耦合途径,在印制线路板中发挥着重要作用。耦合途径不同,产生的干扰问题也就自然不同。比如:1)互感在导线之中频频发生,同时电容处于部分状态下时,也可能会大幅度上升;2)印制板导线串扰;3)高频信号经印制导线时所产生的高频电磁场;4)因时钟信号而导致的电磁辐射干扰现象;5)反射干扰;6)因一系列操作不当产生的干扰。总之,许多物件都有可能成为敏感元件,包括电子元件和导线。要想整体把握板子的整体布局和元器件的位置就需要在布线上面下功夫,只有合理的布线和达到电磁兼容性标准才是实现这一目的最佳途径。

2 印制线路板中单根走线

PCB电路设计中,差分走线耦合较小,只占10~20%的耦合度,更多的还是对地的耦合。当地平面发生不连续时。无参考平面区域,差分走线耦合会提供回流通路。

PCB布线中要求避免直角走线的出现。直角走线对信号有着负面影响,因此PCB中的走线一般采用具有45度拐角或圆弧拐角线。直角走线和非直角走线的差异主要有:1)拐角能等效为传输线上得容性负载,减少上升的时间;2)拐角也能抵御因不持续而造成的信号反射;3)电磁干扰会因直角尖端产生。

不同的拐角线,角度上具有明显的差异性。图2运用了FDTD数值方法进行试验,通过模拟对反射传输特性和反射特性这二者进行对比。在45度外斜切面拐角线反射性与传输性能上,优于其他两种拐角线。这3种走线形式比圆弧的拐角线要差,但是弧度的刻划成本比较高。这是因为圆弧的刻划要求精湛的制版技术。精湛的技术必然会引起成本的增加,因此通常在选择走线时,会将目光停留在45度外斜切面拐角线上。

PCB电路设计过程中电磁干扰等问题的讨论

3 对多导体传输线在应用中的串扰探析

传送信号和机器的运作频率在PCB电路设计中要注意适度原则,如果达到兆赫级,那么对线路的干扰就很严重。走线间的干扰形成的主要原因是串扰问题。PCB电气电路设计过程中,应当适当地留意一下串扰问题,尽可能地减少布线串扰问题出现。实践中可以看到,若发生串扰现象,通常至少会有3个导体和两个线携带信号。如图3所示,而第3条导线只是作为一种参考而言。

PCB电路设计过程中电磁干扰等问题的讨论

实践中可以看到,源和受干扰电路之间的作用,通常会产生一种VS,该作用下的zs、zL会产生感应电压和电流,其zs和源相互联系,而zL主要与负载端相互联系。

为减少干扰现象的出现,笔者特提出以下建议和设计规划:1)以功能作为主要依据的逻辑器件,对总线结构进行控制;2)元件物理距离最小化;3)布线走线长度应严格控制;4)元件既要与I/o接口远离,又要尽可能地避开数据干扰;5)确保阻抗受控走线路径的准确性,通常频波能量较大一些的走线应当注意考虑;6)提供一些相交性的走线,以确保走线之间有适当的距离,确保电感耦合最小化;7)紧挨着的布线层应当垂直,这样可以减小层间电容耦合;8)加强信号与地面之间的间隔和距离控制;9)布线层要单独隔开,必须以相同轴线布线,确保布线层分置预实心平面结构之中。

4 印制线路板内部元器件的走线分布

通常情况下,功能单元与设备满足电磁兼容性要求,主要是由电路的基本元件满足电磁特性的程度决定。

选择电磁元件时,电磁特性和电路装配是必须考虑的两个因素,否则选出的电磁元件是劣质的。这主要是因为远离基频的元件响应特性决定了电磁兼容性是否实现。大多情况下,对外响应(比如引线的长度)和元件之间耦合的程度由电路装配决定。需要注意以下几点。

PCB大小是首先要考虑到的一个因素。PCB尺寸要适中,过大过小都不合要求。如果太过,则印制时需有很多的线条,以此来增加阻抗、下挫抗噪声性能,然其成本会随之增加;如果太小,则缺乏散热能力,受干扰对象便会扩展至相邻的线条。基于此,在确定特殊元件的位置之前,应当充分地测量PCB实际规格和尺寸;以电路功能为基础,对电路中的所有元器件统一的规划和调整。实际操作过程中,为了能够最

大限度的降低高频元器件线路耗损、降低参数分布复杂性,避免电磁干扰,就要想尽办法隔开,让输入和输出元件之间存在距离。缩小元器件或导线之间的较高的电位差,避免因放电而造成短路问题。电路调试过程中,若元器件带有高电压,则应当尽可能置于不容易碰到的位置。

同时还要注意用支架对其进行有效的固定,若焊接159以上的元器件。则体型相对较大、较沉重的发热元器件就不能适应印制板,应该被淘汰。这种元器件应该被配置在机箱的底板上。在安装的同时应该将散热问题考虑在内。热敏元件不能靠近发热元件。

整机的结构要求应首先被考虑,特别是在布局可调节的元件时,比如电位器,开关等。如果是机内调节的情况,那么应被安置在便于调节的区域,比如印制板的上面;如果是机外调节,则需考虑调节旋钮。

印制板定位孔和固定支架需要的区域首先要腾出。对电路的全部元器件进行分布设置时,要依据其功能单元,因此,要做到以下几点:1)为了使信号更加流通,要考虑电路的流程,每个功能电路单元要被放置在合理的区域内,这样也能使信号最大限度在统一的方向上;2)在进行布局时,要紧紧围绕各个功能电路的核心元件这一核心。元器件在排列时,应注意匀称、不杂乱、紧密这些原则。连接各元器件之间所用的导线要尽量减少;3)电路在高负荷状态下运行时,需考虑实际分布状况。最大限度地使元器件平行分布于电路之中。平行分布可以使外表状况看上去更好看,方便装焊,对大量的生产也有很大帮助;4)处于电路板边缘的元器件,其位置与电路板中心距离不可超过2毫米;对于电路板而言,建议设计成矩形。长是宽的1.5倍.或是1.3倍。

5 常用的EMC设计软件

PCB板与外部的接口处的电磁辐射是分析时需要考虑的因素。此外,还要考虑PCB板中电源层的电磁辐射以及大功率布线网络的辐射问题。现在,在设计EMC软件时已经大量的应用了板级与系统级互连仿真,这两者主要是建立在Cadence公司的技术上的。同时,SI/PUEMI的模拟分析也被应用于其中。

德国的INCASES公司发明了EMC-WORKBENCH,这一软件在EMC模拟仿真分析有着重要的推动力。因此,INCASES公司成为行业的领军者,为EMC的进展做出重大贡献。EMC-WORKBENCH为设计者提供帮助,特别是在电磁兼容这一技术难点上。同时使得设计过程发生改变,减少了工作量,删去了一些设计程序。由于EMC模拟仿真技术的应用,因此促使PCB设计快步进入到一个崭新的时代,尤其是电子工程人员利用该技术可实现短期的高质量、高可靠性设计。在实施EMC模拟仿真分析过程中,必然给电路设计、PCB制造行业的发展带来更大的机会和更为广泛的发展空间。实践中可以看到,一块电路板可能来自于很多个生产厂家,而且他们的功能性存在着较大的差异,设计人员在对EMC进行分析时,需全面了解元器件的自身特点,让后方可对其进行具体的模拟仿真操作。该项操作若以传统的视角来看,似乎是一项非常艰巨的工程,然IBIS SPICE的出现,对EMC问题分析而言,起到了非常大的促进作用。

6 结束语

总而言之,在PCB实际设计过程中,一定要严格按照相关设计规范进行,要符合抗干扰设计之原则和要求,只有这样才能使电子电路处于最佳的性能状态。PCB设计初期阶段,需要对布线中的问题进行全面的考虑,这样才能有效减少设计周期,提高设计质量。

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