PCB部落格 - 從分層、佈局和佈線解决EMC PCB板設計

除了元器件的選擇和電路設計之外，良好的PCB板設計也是電磁相容性的一個非常重要的因素。 PCB EMC設計的關鍵是最小化回流面積，並允許回流路徑沿設計方向流動。 常見的返回電流問題來自參攷平面中的裂縫、轉換參攷平面層以及流過連接器的訊號。 跳躍電容器或去耦電容器可能會解决一些問題，但必須考慮電容器、通孔、焊盤和跡線的整體阻抗。 本講座將從三個方面介紹EMC的PCB板設計科技：PCB板分層策略、佈局技巧和佈線規則。

1.PCB板分層策略

電路板設計中電路板的厚度、通孔工藝和層數不是解决問題的關鍵。 優秀的分層堆疊是為了確保電源母線的旁路和去耦，從而不影響電源平面或接地平面上的瞬態電壓。 遮罩訊號和電力電磁場的關鍵。 從訊號路由的角度來看，一個好的分層策略應該是將所有訊號跡線放置在靠近電源或接地平面的一個或多個層上。 對於電力，一個好的分層策略應該是電力層與地面層相鄰，並且電力層和地面層之間的距離盡可能小，這就是我們所說的“分層”策略。 下麵我們將具體討論一個好的PCB分層策略。

1）佈線層的投影平面應在其回流平面層區域內。 如果佈線層不在其返回平面層的投影區域內，佈線時投影區域外會有訊號線，這會造成“邊緣輻射”的問題，也會導致訊號環路面積新增，導致差模輻射新增。

2）儘量避免設定相鄰的佈線層。 由於相鄰佈線層上的並行訊號跡線將導致訊號串擾，如果不能避免相鄰佈線層，則應適當新增兩個佈線層之間的層間距，並且應减小佈線層及其訊號回路之間的層間隔。

3）相鄰平面層應避免其投影平面重疊。 因為當投影重疊時，層之間的耦合電容將導致層之間的雜訊相互耦合。

2.多層板設計：

當時鐘頻率超過5MHz，或訊號上升時間小於5ns時，為了使訊號環路區域得到良好控制，通常需要使用多層板設計。 設計多層板時，應注意以下原則：

1）關鍵佈線層（時鐘線、匯流排、介面訊號線、射頻線、復位訊號線、晶片選擇訊號線和各種控制訊號線所在的層）應與整個接地平面相鄰，最好在兩個接地平面之間。 關鍵訊號線一般為强輻射或極為敏感的訊號線，靠近接地平面佈線可以减少訊號回路的面積，降低其輻射强度或提高抗干擾能力。

2）電源平面應相對於其相鄰接地平面縮回（建議值5H~20H）。 相對於其返回接地平面縮回電源平面可以有效地抑制“邊緣輻射”問題。 此外，電路板的主工作電源平面（廣泛使用）應靠近其接地平面，以有效减少電源電流的回路面積。

3）檢查板的頂層和底層是否沒有≥50MHz的訊號線。 如果是這樣，在兩個平面層之間傳送高頻訊號，以抑制其輻射到太空。

3.單層板和雙層板設計：

對於單層板和雙層板的設計，應主要注意關鍵訊號線和電源線的設計。 電源線和平行線附近必須有接地線，以减少電源電流回路的面積。 “引導地線”應放置在單層板關鍵訊號線的兩側。 雙層板的關鍵訊號線投影平面上應有大面積的地面，或應按照與單層板相同的管道設計“引導地線”。 關鍵訊號線兩側的“保護接地”一方面可以减少訊號環路面積，還可以防止訊號線與其他訊號線之間的串擾。

4.PCB板佈局技巧

在設計PCB板的佈局時，應充分遵守沿訊號流動方向直線放置的設計原則，並盡可能避免來回迴圈。 以這種管道，可以避免訊號的直接耦合，並且訊號質量將受到影響。 此外，為了防止電路和電子部件之間的相互干擾和耦合，電路的放置和部件的佈局應遵循以下原則：

1）如果介面板上設計有“清潔地面”，則過濾和隔離裝置應放置在“清潔地面“和工作地面之間的隔離帶上。 這防止了過濾或隔離裝置通過平面層彼此耦合，這會削弱效果。 此外，“乾淨”，除過濾和防護設備外，不能放置其他設備。

2）當多種模塊電路放置在同一PCB板、數位電路和類比電路上時，高速和低速電路應分開，以避免數位電路、類比電路、高速電路和低速電路之間的相互干擾。 此外，當電路板上同時有高速、中速和低速電路時，為了避免高頻電路雜訊通過介面向外輻射。

3.電路板電源輸入埠的濾波電路應靠近介面放置，以避免濾波後的線路重新耦合。

4.介面電路的濾波、保護和隔離裝置靠近介面放置，可以有效地達到保護、濾波和隔離的效果。 如果介面處既有濾波電路又有保護電路，則應遵循先保護後濾波的原則。 由於保護電路用於外部過電壓和過電流抑制，如果將保護電路放置在濾波器電路之後，濾波器電路將被過電壓和電流損壞。 此外，由於電路的輸入和輸出線彼此耦合，濾波、隔離或保護效果將被削弱。 在佈局過程中，確保濾波器電路（濾波器）、隔離和保護電路的輸入和輸出線彼此不耦合。

5）敏感電路或設備（如復位電路等）距離電路板的每個邊緣至少1000密耳，尤其是電路板介面側的邊緣。

6）儲能和高頻濾波電容器應放置在電流變化較大的單元電路或設備附近（如電源模組、風扇和繼電器的輸入和輸出端子），以减少高電流回路的回路面積。

7）過濾元件應並排放置，以防止過濾電路再次受到干擾。

8）晶體、晶體振盪器、繼電器、開關電源等强輻射設備距離單板介面連接器至少1000英里。 這樣，干擾可以直接輻射到外部，或者電流可以耦合到輸出電纜上向外輻射。

5.PCB板佈線規則

除了元件選擇和電路設計之外，良好的印刷電路板（PCB）佈局也是電磁相容性的一個非常重要的因素。 由於PCB板是系統的固有組件，囙此增强PCB板佈線中的電磁相容性不會給最終產品帶來額外的成本。 任何人都應該記住，糟糕的PCB佈局會導致更多的EMC問題，而不是消除這些問題，在許多情况下，即使添加濾波器和組件也無法解决這些問題。 不得不重新佈線整個電路板。 囙此，一開始養成良好的PCB板佈線習慣是省錢的方法。 以下將介紹PCB板佈線的一些一般規則以及電源線、地線和訊號線的設計策略。 根據這些規則，提出了空調典型印刷電路板電路的改進措施。

1）接線分離

佈線分離的作用是耦合PCB同一層上相鄰線路之間的串擾和雜訊。 3W規範規定，所有訊號（時鐘、視頻、音訊、重置等）必須與線間和邊緣間隔離，如圖10所示。 為了進一步减少磁耦合，參攷地被放置在關鍵訊號附近，以隔離由其他訊號線產生的耦合雜訊。

2）保護和分流電路

設定分流和保護線是在雜訊環境中隔離和保護關鍵訊號（如系統時鐘訊號）的非常有效的方法。 PCB中的平行線或保護線沿著關鍵訊號線佈線。 保護線不僅隔離了由其他訊號線產生的耦合通量，還隔離了臨界訊號與其他訊號線的耦合。 分流線和保護線的區別在於，分流線不必端接（接地），但保護線的兩端必須接地。 為了進一步减少耦合，多層PCB中的保護線可以每隔一段新增一條接地路徑。

3）電源線設計

根據印刷電路板電流的大小，嘗試新增電源線的寬度以减少回路電阻。 同時，使電源線和地線的方向與資料傳輸的方向一致，這將有助於增强抗雜訊能力。 在單面板或雙面板中，如果電源線很長，應每隔3000mil將去耦電容器接地，電容器的值應為10uF+1000pF。

4）接地線設計

地線設計原則如下：

a、將數位接地與類比接地分開。 如果電路板上有邏輯電路和線性電路，則應盡可能分開。 低頻電路的接地應盡可能在單個點並聯接地。 當實際佈線困難時，可以部分串聯，然後並聯接地。 高頻電路應在多個點串聯接地，接地線應短且短，高頻元件周圍應盡可能使用大面積網格狀接地箔。

b、接地線應盡可能厚。 如果地線非常細長，接地電位會隨著電流的變化而變化，這會降低抗雜訊效能。 囙此，應加厚接地線，使其能够通過印刷電路板上允許電流的三倍。 如果可能，接地線應大於2～3mm。

c、接地線形成一個閉環。 對於僅由數位電路組成的印刷電路板，大多數接地電路被佈置成回路，這可以提高抗雜訊能力。

5）訊號線設計

對於關鍵訊號線，如果板具有內部訊號佈線層，則諸如時鐘的關鍵訊號線在內層上佈線，並且佈線層是優選的。 此外，關鍵訊號線不得穿過分隔區域佈線，包括通孔和焊盤導致的參攷平面間隙，否則訊號環路面積將新增。 關鍵訊號線距參攷平面邊緣應≥3H（H是線距參攷面的高度），以抑制邊緣輻射效應。 對於强輻射訊號線，如時鐘線、匯流排線和射頻線，以及敏感訊號線，例如復位訊號線、晶片選擇訊號線和系統控制訊號，應遠離介面輸出信號線。 囙此，防止强輻射訊號線上的干擾耦合到輸出信號線並輻射到外部； 還避免了由介面的輸出信號線引入的外部干擾耦合到敏感訊號線，從而導致系統故障。 對於差分訊號線，應鋪設同一層、等長和平行的線路，以保持阻抗一致，並且差分線路之間不應存在其他線路。 由於保證了差分對的共模阻抗相等，囙此可以提高其抗干擾能力。 根據上述佈線規則，對空調的典型印刷電路板電路進行了改進和優化。 通常，如果您在佈線前研究返回路徑的設計，您將有機會成功並實現减少EMI輻射的目標。 此外，在執行實際佈線之前，不需要花費任何金錢來改變佈線層。 提高EMC是PCB板設計的實踐。