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如何在PCB設計中避免出現電磁問題

GLeX_murata_eet ? 來源:村田中文技術社區 ? 作者:村田中文技術社區 ? 2021-01-14 15:03 ? 次閱讀

PCB設計中,電磁兼容性(EMC)及關聯的電磁干擾(EMI)歷來是讓工程師們頭疼的兩大問題,特別是在當今電路板設計和元器件封裝不斷縮小、OEM要求更高速系統的情況下。本文給大家分享如何在PCB設計中避免出現電磁問題。

串擾和走線是重點01

走線對確保電流的正常流動特別重要。如果電流來自振蕩器或其它類似設備,那么讓電流與接地層分開,或者不讓電流與另一條走線并行,尤其重要。兩個并行的高速信號會產生EMC和EMI,特別是串擾。必須使電阻路徑最短,返回電流路徑也盡可能短。返回路徑走線的長度應與發送走線的長度相同。

對于EMI,一條叫做“侵犯走線”,另一條則是“受害走線”。電感和電容耦合會因為電磁場的存在而影響“受害”走線,從而在“受害走線”上產生正向和反向電流。這樣的話,在信號的發送長度和接收長度幾乎相等的穩定環境中就會產生紋波。

在一個平衡良好、走線穩定的環境中,感應電流應相互抵消,從而消除串擾。但是,我們身處不完美的世界,這樣的事不會發生。因此,我們的目標是必須將所有走線的串擾保持在最小水平。如果使并行走線之間的寬度為走線寬度的兩倍,則串擾的影響可降至最低。例如,如果走線寬度為5密耳,則兩條并行走線之間的最小距離應為10密耳或更大。

隨著新材料和新的元器件不斷出現,PCB設計人員還必須繼續應對電磁兼容性和干擾問題。

去耦電容02

去耦電容可減少串擾的不良影響,它們應位于設備的電源引腳和接地引腳之間,這樣可以確保交流阻抗較低,減少噪聲和串擾。為了在寬頻率范圍內實現低阻抗,應使用多個去耦電容。

放置去耦電容的一個重要原則是,電容值最小的電容器要盡可能靠近設備,以減少對走線產生電感影響。這一特定的電容器盡可能靠近設備的電源引腳或電源走線,并將電容器的焊盤直接連到過孔或接地層。如果走線較長,請使用多個過孔,使接地阻抗最小。

將PCB接地03

降低EMI的一個重要途徑是設計PCB接地層。第一步是使PCB電路板總面積內的接地面積盡可能大,這樣可以減少發射、串擾和噪聲。將每個元器件連接到接地點或接地層時必須特別小心,如果不這樣做,就不能充分利用可靠的接地層的中和效果。

一個特別復雜的PCB設計有幾個穩定的電壓。理想情況下,每個參考電壓都有自己對應的接地層。但是,如果接地層太多會增加PCB的制造成本,使價格過高。折衷的辦法是在三到五個不同的位置分別使用接地層,每一個接地層可包含多個接地部分。這樣不僅控制了電路板的制造成本,同時也降低了EMI和EMC。

如果想使EMC最小,低阻抗接地系統十分重要。在多層PCB中,最好有一個可靠的接地層,而不是一個銅平衡塊(copper thieving)或散亂的接地層,因為它具有低阻抗,可提供電流通路,是最佳的反向信號源。

信號返回地面的時長也非常重要。信號往返于信號源的時間必須相當,否則會產生類似天線的現象,使輻射的能量成為EMI的一部分。同樣,向/從信號源傳輸電流的走線應盡可能短,如果源路徑和返回路徑的長度不相等,則會產生接地反彈,這也會產生EMI。

避免90°角04

為降低EMI,應避免走線、過孔及其它元器件形成90°角,因為直角會產生輻射。在該角處電容會增加,特性阻抗也會發生變化,導致反射,繼而引起EMI。要避免90°角,走線應至少以兩個45°角布線到拐角處。

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使用過孔需謹慎05

在幾乎所有PCB布局中,都必須使用過孔在不同層之間提供導電連接。PCB布局工程師需特別小心,因為過孔會產生電感和電容。在某些情況下,它們還會產生反射,因為在走線中制作過孔時,特性阻抗會發生變化。

同樣要記住的是,過孔會增加走線長度,需要進行匹配。如果是差分走線,應盡可能避免過孔。如果不能避免,則應在兩條走線中都使用過孔,以補償信號和返回路徑中的延遲。

電纜和物理屏蔽06

承載數字電路模擬電流的電纜會產生寄生電容和電感,引起很多EMC相關問題。如果使用雙絞線電纜,則會保持較低的耦合水平,消除產生的磁場。對于高頻信號,必須使用屏蔽電纜,其正面和背面均接地,消除EMI干擾。

物理屏蔽是用金屬封裝包住整個或部分系統,防止EMI進入PCB電路。這種屏蔽就像是封閉的接地導電容器,可減小天線環路尺寸并吸收EMI。

責任編輯:lq

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