高速PCB設計指南之五

第一篇 DSP系統的降噪技術
　　隨著高速DSP（數字信號處理器）和外設的出現，新產品設計人員面臨著電磁干擾（EMI）日益嚴重的威脅。早期，把發射和干擾問題稱之為EMI或RFI（射頻干擾）。現在用更確定的詞“干擾兼容性”替代。電磁兼容性（EMC）含系統的發射和敏感度兩方面的問題。假若干擾不能完全消除，但也要使干擾減少到 小。如果一個DSP系統符合下面三個條件，則該系統是電磁兼容的。
1． 對其它系統不產生干擾。
2． 對其它系統的發射不敏感。
3． 對系統本身不產生干擾。

干擾定義
　　當干擾的能量使接收器處在不希望的狀態時引起干擾。干擾的產生不是直接的（通過導體、公共阻抗耦合等）就是間接的（通過串擾或輻射耦合）。電磁干擾的產生是通過導體和通過輻射。很多電磁發射源，如光照、繼電器、DC電機和日光燈都可引起干擾。AC電源線、互連電纜、金屬電纜和子系統的內部電路也都可能產生輻射或接收到不希望的信號。在高速數字電路中，時鐘電路通常是寬帶噪聲的 大產生源。在快速DSP中，這些電路可產生高達300MHz的諧波失真，在系統中應該把它們去掉。在數字電路中， 容易受影響的是復位線、中斷線和控制線。

傳導性EMI
　　一種 明顯而往往被忽略的能引起電路中噪聲的路徑是經過導體。一條穿過噪聲環境的導線可檢拾噪聲并把噪聲送到另外電路引起干擾。設計人員必須避免導線撿拾噪聲和在噪聲產生引起干擾前，用去耦辦法除去噪聲。 普通的例子是噪聲通過電源線進入電路。若電源本身或連接到電源的其它電路是干擾源，則在電源線進入電路之前必須對其去耦。

共阻抗耦合
　　當來自兩個不同電路的電流流經一個公共阻抗時就會產生共阻抗耦合。阻抗上的壓降由兩個電路決定。來自兩個電路的地電流流經共地阻抗。電路1的地電位被地電流2調制。噪聲信號或DC補償經共地阻抗從電路2耦合到電路1。

輻射耦合
　　經輻射的耦合通稱串擾，串擾發生在電流流經導體時產生電磁場，而電磁場在鄰近的導體中感應瞬態電流。

輻射發射
　　輻射發射有兩種基本類型：差分模式（DM）和共模（CM）。共模輻射或單極天線輻射是由無意的壓降引起的，它使電路中所有地連接抬高到系統地電位之上。就電場大小而言，CM輻射是比DM輻射更為嚴重的問題。為使CM輻射 小，必須用切合實際的設計使共模電流降到零。

影響EMC的因數
　　電壓——電源電壓越高，意味著電壓振幅越大而發射就更多，而低電源電壓影響敏感度。
　　頻率——高頻產生更多的發射，周期性信號產生更多的發射。在高頻數字系統中，當器件開關時產生電流尖峰信號；在模擬系統中，當負載電流變化時產生電流尖峰信號。
　　接地——對于電路設計沒有比可靠和完美的電源系統更重要的事情。在所有EMC問題中，主要問題是不適當的接地引起的。有三種信號接地方法：單點、多點和混合。在頻率低于1MHz時可采用單點接地方法，但不適于高頻。在高頻應用中， 好采用多點接地。混合接地是低頻用單點接地而高頻用多點接地的方法。地線布局是關鍵的。高頻數字電路和低電平模擬電路的地回路絕對不能混合。
　　PCB設計——適當的印刷電路板（PCB）布線對防止EMI是至關重要的。
　　電源去耦——當器件開關時，在電源線上會產生瞬態電流，必須衰減和濾掉這些瞬態電流來自高di/dt源的瞬態電流導致地和線跡“發射”電壓。高di/dt產生大范圍高頻電流，激勵部件和纜線輻射。流經導線的電流變化和電感會導致壓降，減小電感或電流隨時間的變化可使該壓降 小。

降低噪聲的技術
　　防止干擾有三種方法：
1．抑制源發射。
2．使耦合通路盡可能地無效。
3．使接收器對發射的敏感度盡量小。
下面介紹板級降噪技術。板級降噪技術括板結構、線路介紹和濾波。
板結構降噪技術括：
* 采用地和電源平板
* 平板面積要大，以便為電源去耦提供低阻抗
* 使表面導體 少
* 采用窄線條（4到8密耳）以增加高頻阻尼和降低電容耦合
* 分開數字、模擬、接收器、發送器地/電源線
* 根據頻率和類型分隔PCB上的電路
* 不要切痕PCB，切痕附近的線跡可能導致不希望的環路
* 采用多層板密封電源和地板層之間的線跡
* 避免大的開環板層結構
* PCB聯接器接機殼地，這為防止電路邊界處的輻射提供屏蔽
* 采用多點接地使高頻地阻抗低
* 保持地引腳短于波長的1/20,以防止輻射和保證低阻抗線路介紹降噪技術括用45。而不是90。線跡轉向，90。轉向會增加電容并導致傳輸線特性阻抗變化
* 保持相鄰激勵線跡之間的間距大于線跡的寬度以使串擾 小
* 時鐘信號環路面積應盡量小
* 高速線路和時鐘信號線要短和直接連接
* 敏感的線跡不要與傳輸高電流快速開關轉換信號的線跡并行
* 不要有浮空數字輸入，以防止不必要的開關轉換和噪聲產生
* 避免在晶振和其它固有噪聲電路下面有供電線跡
* 相應的電源、地、信號和回路線跡要平行以消除噪聲
* 保持時鐘線、總線和片使能與輸入/輸出線和連接器分隔
* 路線時鐘信號正交I/O信號
* 為使串擾 小，線跡用直角交叉和散置地線
* 保護關鍵線跡（用4密耳到8密耳線跡以使電感 小，路線緊靠地板層，板層之間夾層結構，保護夾層的每一邊都有地）

濾波技術括：
* 對電源線和所有進入PCB的信號進行濾波
* 在IC的每一個點原引腳用高頻低電感陶瓷電容（14MHz用0.1UF，超過15MHz用0.01UF）進行去耦
* 旁路模擬電路的所有電源供電和基準電壓引腳
* 旁路快速開關器件
* 在器件引線處對電源/地去耦
* 用多級濾波來衰減多頻段電源噪聲

其它降噪設計技術有：
* 把晶振安裝嵌入到板上并接地
* 在適當的地方加屏蔽
* 用串聯終端使諧振和傳輸反射 小，負載和線之間的阻抗失配會導致信號部分反射，反射括瞬時擾動和過沖，這會產生很大的EMI
* 介紹鄰近地線緊靠信號線以便更有效地阻止出現電場
* 把去耦線驅動器和接收器適當地放置在緊靠實際的I/O接口處，這可降低到PCB其它電路的耦合，并使輻射和敏感度降低
* 對有干擾的引線進行屏蔽和絞在一起以消除PCB上的相互耦合
* 在感性負載上用箝位二極管
　　EMC是DSP系統設計所要考慮的重要問題，應采用適當的降噪技術使DSP系統符合EMC要求
第二篇 PowerPCB在印制電路板設計中的應用技術
　　作者 :中國船舶工業總公司第七0七研究所 谷健
印制電路板（PCB）是電子產品中電路元件和器件的支撐件。它提供電路元件和器件之間的電氣連接。隨著電子技術的飛速發展，PCB的密度越來越高。PCB設計的好壞對抗干擾能力影響很大。實踐證明，即使電路原理圖設計正確，印制電路板設計不當，也會對電子產品的可靠性產生不利影響。例如，如果印制板兩條細平行線靠得很近，則會形成信號波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲。因此，在設計印制電路板的時候，應注意采用正確的方法，遵守PCB設計的一般原則，并應符合抗干擾設計的要求。
一、 PCB設計的一般原則
　　要使電子電路獲得 佳性能，元器件的布局及導線的布設是很重要的。為了設計質量好、造價低的PCB，應遵循以下的一般性原則：
1.布局
　　首先，要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過大時，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后，再確定特殊元件的位置。 后，根據電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局。
　　在確定特殊元件的位置時要遵守以下原則：
（1）盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設法減少它們的分布參數和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應盡量遠離。
（2）某些元器件或導線之間可能有較高的電位差，應加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應盡量布置在調試時手不易觸及的地方。
（3）重量超過15g的元器件，應當用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發熱量多的元器件，不宜裝在印制板上，而應裝在整機的機箱底板上，且應考慮散熱問題。熱敏元件應遠離發熱元件。
（4）對于電位器、可調電感線圈、可變電容器、微動開關等可調元件的布局應考慮整機的結構要求。若是機內調節，應放在印制板上方便調節的地方；若是機外調節，其位置要與調節旋鈕在機箱面板上的位置相適應。
（5）應留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。

　　根據電路的功能單元。對電路的全部元器件進行布局時，要符合以下原則：
（1）按照電路的流程介紹各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。
（2）以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進行布局。元器件應均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上。盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。
（3）在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數。一般電路應盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀，而且裝焊容易，易于批量生產。
（4）位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm。電路板的 佳形狀為矩形。長寬雙為3:2或4:3。電路板面尺寸大于200×150mm時，應考慮電路板所受的機械強度。

2.布線
　　布線的原則如下：
（1）輸入輸出端用的導線應盡量避免相鄰平行。 好加線間地線，以免發生反饋藕合。
（2）印制板導線的 小寬度主要由導線與絕緣基板間的粘附強度和流過它們的電流值決定。當銅箔厚度為0.5mm、寬度為1～15mm時，通過2A的電流，溫度不會高于3℃。因此，導線寬度為1.5mm可滿足要求。對于集成電路，尤其是數字電路，通常選0.02～0.3mm導線寬度。當然，只要允許，還是盡可能用寬線，尤其是電源線和地線。導線的 小間距主要由 壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定。對于集成電路，尤其是數字電路，只要工藝允許，可使間距小于5～8mil。
（3）印制導線拐彎處一般取圓弧形，而直角或夾角在高頻電路中會影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則，長時間受熱時，易發生銅箔膨脹和脫落現象。必須用大面積銅箔時， 好用柵格狀。這樣有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產生的揮發性氣體。
3.焊盤
焊盤中心孔要比器件引線直徑稍大一些。焊盤太大易形成虛焊。焊盤外徑D一般不小于（d+1.2）mm，其中d為引線孔徑。對高密度的數字電路，焊盤 小直徑可取(d+1.0)mm。 ★★★★★手機維修培訓、家電維修培訓、電工培訓、電腦維修培訓、焊工培訓--面向全國火爆招生! 　　湖南省陽光電子技術學校常年面向全國招生(http://www.hnygpx.com 報名電話：13807313137)。安置就業。考試合格頒發全國通用權威證書：《中華人民共和國職業資格證》 、《電工證》 、《焊工證》 。采用我校多年來獨創的“模塊教學法”,理論與實踐相結合、原理＋圖紙＋機器三位一體的教學模式，半天理論，半天實踐，通俗易懂，確保無任何基礎者也能全面掌握維修技能、成為同行業中的佼佼者。工作(一期不會，免費學會為止)。