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PCB科技 - 高速PCB EMC設計47

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高速PCB EMC設計47

2021-08-24
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Author:IPCB

差模電流和共模電流:


輻射產生:電流產生輻射,而不是電壓,靜電產生靜電場,恒流產生磁場,時變電流同時產生電場和磁場。 任何電路中都有共模電流和差模電流。 差模訊號攜帶數據或有用訊號。 共模訊號是差模的負面影響。


差模電流:幅值相等,方向相反(相位)。 由於訊號軌跡的不連續分佈電容、電感和阻抗,以及訊號返回路徑流經意外路徑,差模電流將轉換為共模電流。


共模電流:大小不一定相同, the direction (phase) is the same. 設備的外部干擾主要是共模干擾, 並且還存在差模干擾, 但是共模干擾的强度通常比差模干擾的强度大幾個數量級. 外部干擾主要為共模干擾. 共模干擾本身通常不會對設備造成危害, 但是如果共模干擾轉化為差模干擾, 這將是嚴重的,因為有用的訊號都是差模訊號. 差模電流的磁場主要集中在差模電流形成的回路區域, 在環路區域外, 磁力線會相互抵消; 共模電流的磁場在回路區域外, 共模電流產生的磁場方向相同. 許多的 印刷電路板的EMC設計 遵循上述理論.


抑制干擾的方法 印刷電路板板 是:


减小差模訊號回路面積

减少高頻雜訊返回(濾波、隔離和匹配)

降低共模電壓(接地設計)


印刷電路板設計 principles are summarized


Principle 1: 印刷電路板 時鐘頻率超過5MHZ或訊號上升時間小於5ns, 一般需要使用多層板設計. 原因:採用多層板設計,可以很好地控制訊號回路的面積.


原則2:對於多層板,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)應與整個接地層相鄰。 最好在兩個地平面之間。 原因:關鍵訊號線一般為强輻射或極為敏感的訊號線。 靠近地平面佈線可以减少訊號回路面積,降低輻射强度或提高抗干擾能力。


原則3:對於單層板,關鍵訊號線的兩側應覆蓋地面; 原因:鑰匙訊號的兩側都被接地覆蓋。 一方面,它可以减少訊號環路面積,防止訊號線與其他訊號線之間的串擾。


原則4:對於雙層板,應在關鍵訊號線的投影面上鋪設大面積的地面,或採用與單面板相同的管道,對地面進行打孔。 原因:與靠近地平面的多層板的關鍵訊號相同


原則5:在多層板中,電源板應相對於其相鄰接地板收縮5H-20H(H是電源和接地板之間的距離)。 原因:電源平面相對於其返回地平面的凹陷可以有效抑制邊緣輻射問題。


原則6:佈線層的投影平面應位於回流平面層的區域內。 原因:如果佈線層不在回流平面層的投影區域,則會導致邊緣輻射問題,並新增訊號環路面積,導致差模輻射新增。


原則7:在多層板中,單板的頂層和底層的訊號線應盡可能不大於50MHZ。 理由:最好在兩個平面層之間傳遞高頻訊號,以抑制其對空間的輻射。


原則8:對於板級工作頻率大於50MHz的單板,如果第二層和倒數第二層是佈線層,則頂部和引導層應覆蓋接地銅箔。 理由:最好在兩個平面層之間移動高頻訊號,以抑制其對空間的輻射。


原則9:在多層板中,單板的主工作電源平面(使用最廣泛的電源平面)應接近其接地層。 原因:相鄰的電源面和接地板可以有效地减少電源電路的回路面積。


原則10:在單層電路板中,必須有一條接地線靠近並平行於電源線。 原因:减小電源電流回路的面積。


原則11:在雙層板中,必須有一條接地線靠近並平行於電源線。 原因:减小電源電流回路的面積。


原則12:在分層設計中,儘量避免佈線層的相鄰設定。 如果佈線層不可避免地彼此相鄰,則應適當增大兩個佈線層之間的層間距,並减小佈線層及其訊號電路之間的層間距。 原因:相鄰佈線層上的平行訊號跡線可能導致訊號串擾。


原則13:相鄰平面層應避免其投影平面重疊。 原因:當投影重疊時,層之間的耦合電容會導致層之間的雜訊相互耦合。


原則14:設計 印刷電路板佈局, 完全符合沿訊號流向直線敷設的設計原則, 儘量避免來回迴圈. 原因:避免直接訊號耦合,影響訊號質量.


原則15:當多個模塊電路放置在同一印刷電路板上時,數位電路和類比電路以及高速和低速電路應分開佈置。 原因: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。


原則16:當電路板上同時有高速、中速和低速電路時,遵循高速和中速電路,遠離介面。 原因:避免高頻電路雜訊通過介面輻射到外部。


原則17: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裝置附近(如電源模組:輸入和輸出端子、風扇和繼電器)。 原因:儲能電容器的存在可以减少大電流回路的回路面積。


原則18:電路板電源輸入埠的濾波電路應靠近介面。 原因:避免濾波電路的重新耦合。


原則19:在印刷電路板上,介面電路的濾波、保護和隔離元件應靠近介面。 原因:能有效達到保護、過濾、隔離的效果。


原則20:如果介面處既有濾波器又有保護電路,則應遵循先保護後濾波的原則。 原因:保護電路用於抑制外部過電壓和過電流。 如果將保護電路置於濾波電路之後,濾波電路將因過壓和過流而損壞。

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原則21:佈置時,確保濾波電路(濾波器)、隔離和保護電路的輸入和輸出線不相互耦合。 原因:當上述電路的輸入和輸出跡線相互耦合時,濾波、隔離或保護效果會减弱。


原則22:如果電路板上設計了“乾淨接地”介面,則濾波和隔離組件應放置在“乾淨接地”和工作接地之間的隔離帶上。 原因:避免過濾或隔離裝置通過平面層相互耦合,這會减弱效果。


原則23:在“乾淨的地面”上,除過濾和保護裝置外,不得放置其他裝置。 理由:“乾淨的地面”設計的目的是確保介面輻射最小,“乾淨的地面”很容易被外部干擾耦合,囙此“乾淨的地面”上沒有其他無關的電路和設備。


原則24:使晶體、晶體振盪器、繼電器和開關電源等强輻射設備與板介面連接器保持至少1000密耳的距離。 原因:干擾將直接輻射或電流將耦合到輸出電纜向外輻射。


原則25:敏感電路或設備(如復位電路、看門狗電路等)應距離電路板的每個邊緣至少1000密耳,尤其是電路板介面的邊緣。 原因:與單板介面類似的地方是最容易受到外部干擾(如靜電)耦合的地方,而復位電路和看門狗電路等敏感電路很容易導致系統誤操作。


原則26:用於IC濾波的濾波電容器應盡可能靠近晶片的電源引脚。 原因:電容器離引脚越近,高頻回路的面積越小,輻射越小。


原則27:對於起始端串聯匹配電阻器,應將其放置在靠近其訊號輸出端的位置。 理由:起始端串聯匹配電阻的設計目的是將晶片輸出端的輸出阻抗和串聯電阻的阻抗加到跡線的特性阻抗中。 匹配電阻放在末端,不能滿足上述方程。


原則28:印刷電路板 跡線不能具有直角或銳角跡線. 原因:直角接線導致阻抗不連續, 導致訊號傳輸, 導致振鈴或超調以及强EMI輻射.


原則29:儘量避免相鄰佈線層的層設定。 當不可避免時,儘量使兩個佈線層中的跡線相互垂直,或平行跡線的長度小於1000mil。 原因:减少平行記錄道之間的串擾。


原則30:如果電路板有內部訊號佈線層,則時鐘等關鍵訊號線應鋪設在內層(首選佈線層)。 原因:在內部佈線層部署關鍵訊號可以起到遮罩作用。


原則31:建議覆蓋時鐘線兩側的地線。 接地線應每3000mil接地一次。 原因:確保封裝地線上所有點的電勢相等。


原則32:時鐘、匯流排、射頻線等關鍵訊號跡線以及同一層上的其他平行跡線應符合3W原則。 原因:為了避免訊號之間的串擾。


原則33:用於電流為1A的電源的表面安裝保險絲、磁珠、電感器和鉭電容器的焊盤不得少於兩個連接到平面層的通孔。 原因:降低過孔的等效阻抗。


原則34:差分訊號線應在同一層上,等長,並平行運行,保持阻抗均勻,差分線之間不得有其他接線。 理由:確保差分線對的共模阻抗相等,提高其抗干擾能力。


原則35:不得跨隔板追跡關鍵訊號軌跡(包括過孔和焊盤造成的基準面間隙)。 原因:穿過隔板的接線將新增訊號回路的面積。


原則36:當不可避免地將訊號線劃分為其返回平面時,建議在訊號跨度劃分附近使用橋式電容器方法。 電容器的值為1nF。 原因:當訊號跨度被劃分時,環路面積通常會新增。 訊號回路人為設定橋架接地管道。


原則37:在板上的濾波器(濾波器電路)下不要有其他不相關的訊號痕迹。 原因:分佈電容會减弱濾波器的濾波效果。


原則38:濾波器(濾波器電路)的輸入和輸出信號線不能平行或交叉。 原因:避免濾波前後記錄道之間的直接雜訊耦合。


原則39:關鍵訊號線與基準面邊緣之間的距離為–3H(H是線距基準面的高度)。 原因:抑制邊緣輻射效應。


原則40:對於金屬外殼接地部件,接地銅應鋪設在投影區域的頂層。 原因:金屬外殼和接地銅之間的分佈電容用於抑制外部輻射並提高抗擾度。


原則41:在 單層董事會 或雙層 董事會, 佈線時注意“最小化回路面積”的設計. 原因:環路面積越小, 回路的外部輻射越小, 抗干擾能力越强.


原則42:當改變訊號線(尤其是關鍵訊號線)的層時,應在層改變過孔附近設計接地過孔。 原因:訊號回路的面積可以减小。


原則43:時鐘線、匯流排線、射頻線等:使强輻射訊號線遠離介面和出線訊號線。 原因:避免强輻射訊號線對出線訊號線的耦合和向外輻射的干擾。


原則44:使復位訊號線、晶片選擇訊號線和系統控制訊號等敏感訊號線遠離介面輸出信號線。 原因:訊號線出介面往往會帶來外部干擾,當它與敏感訊號線耦合時,會導致系統故障。


原則45:在單面板和雙面板中,濾波電容器的接線應首先由濾波電容器濾波,然後連接到設備引脚。 原因:在向IC供電之前,電源電壓會被過濾掉,IC迴響給電源的雜訊也會被電容器過濾掉。


原則46:在單板或雙板中,如果電源線很長,應每隔3000mil向地面添加去耦電容器,電容器的值應為10uF+1000pF。 原因:過濾掉電源線上的高頻譟音。


原則47:濾波電容器的接地線和電源線應盡可能粗短。 原因:等效串聯電感會降低電容器的諧振頻率,削弱其高頻濾波效果。