【導(dǎo)讀】時(shí)鐘速度的提升加上高頻率總線以及更高的接口數(shù)據(jù)速率使得PC電路板設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)性顯著提高，硬件工程師應(yīng)在PC電路板設(shè)計(jì)階段解決EMC問(wèn)題。本文就從接地設(shè)計(jì)、布局以及板外設(shè)計(jì)來(lái)探討控制EMC的方法。
時(shí)鐘速度的提升加上高頻率總線以及更高的接口數(shù)據(jù)速率使得PC電路板設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)性顯著提高。工程師必須超越板上實(shí)際邏輯的設(shè)計(jì)，還要考慮其它可能影響電路的因素，包括電路板的尺寸、環(huán)境噪聲、功耗和電磁兼容性(EMC)等。硬件工程師應(yīng)在PC電路板設(shè)計(jì)階段解決EMC問(wèn)題，確保系統(tǒng)不會(huì)受到EMC故障的影響。
良好的接地設(shè)計(jì)
低電感接地系統(tǒng)是最大限度減少EMC問(wèn)題的最重要因素。最大限度地增加PC電路板上的接地面積可降低系統(tǒng)接地電感，進(jìn)而減少電磁輻射和串?dāng)_。串?dāng)_可存在于電路板上的任何兩條布線之間，取決于互電感和互電容，與布線之間的距離、邊緣速率和布線阻抗成正比。
在數(shù)字系統(tǒng)中，互電感產(chǎn)生的串?dāng)_通常大于互電容產(chǎn)生的串?dāng)_。通過(guò)增加布線之間的間距或減少到接地層的距離可降低互電感。
信號(hào)連接到地的方法各種各樣。組件隨機(jī)連接到接地點(diǎn)的電路板設(shè)計(jì)會(huì)生成高接地電感，并引發(fā)不可避免的EMC問(wèn)題。我們建議采用全鋪地層，這能在電流返回源極時(shí)最大限度地減小阻抗，不過(guò)接地層還需要專(zhuān)用的PC電路板層，這對(duì)于雙層電路板而言或許是不現(xiàn)實(shí)的。
因此，我們建議設(shè)計(jì)人員采用接地柵格，如圖1a所示。在此情況下，接地的電感取決于柵格之間的間距。
此外，信號(hào)返回系統(tǒng)接地的方式也很重要。信號(hào)路徑如果較長(zhǎng)，就會(huì)產(chǎn)生接地回路，進(jìn)而形成天線并輻射能量。因此，所有將電流帶回源極的布線都應(yīng)選擇最短路徑，而且應(yīng)直接到接地層。
圖示：三種接地方法
如果不能采用專(zhuān)用的接地層，則可使用接地柵格代替(1a)。連接所有不同接地并將它們連接到接地層的做法并不可取，因?yàn)檫@不但會(huì)增加電流回路的大小，而且會(huì)增加接地反彈的可能性(1b)。讓接地與電路板的完整邊緣拼接在一起，形成法拉第籠，從而不會(huì)把任何信號(hào)路由到界限之外(圖1c)，這種方法能把電路板的輻射限制在界限以?xún)?nèi)區(qū)域，避免外部輻射干擾電路板上的信號(hào)。
連接所有不同接地并將它們連接到接地層的做法并不可取，這不但會(huì)增加電流回路的大小，而且會(huì)增加接地反彈的可能性。圖1b給出了將組件連接到接地層的推薦方法。
減少EMC相關(guān)的問(wèn)題還有一個(gè)好方法，就是讓接地與電路板的完整邊緣拼接在一起，形成法拉第籠，從而不會(huì)把任何信號(hào)路由到界限之外(圖1c)。這種方法能把電路板的輻射限制在界限以?xún)?nèi)區(qū)域，避免外部輻射干擾電路板上的信號(hào)。
從EMC的角度來(lái)看，各層的適當(dāng)安排也很重要。如果使用的層數(shù)超過(guò)兩層，那么要用一個(gè)完整的層作為接地層。如果采用四層電路板，那么接地層下面的一層應(yīng)作為電源層。必須注意接地層的位置應(yīng)在高頻信號(hào)布線和電源層之間。如果使用雙層電路板，完整的接地層不可能實(shí)現(xiàn)，那么可采用接地柵格。如果不使用單獨(dú)的電源層，那么接地布線應(yīng)與電源布線平行，以確保電源清潔。
布局指南
為了讓設(shè)計(jì)免受EMC的影響，電路板上的組件必須根據(jù)功能進(jìn)行分類(lèi)(模擬、數(shù)字、電源部分、低速電路、高速電路等)。每類(lèi)的布線應(yīng)在指定區(qū)域內(nèi)。在子系統(tǒng)的邊界處應(yīng)使用濾波器。
應(yīng)對(duì)數(shù)字電路問(wèn)題時(shí)，必須特別注意時(shí)鐘和其它高速信號(hào)。連接這種信號(hào)的布線應(yīng)盡可能短，而且應(yīng)與接地層相鄰，從而保持輻射和串?dāng)_可以得到控制。
對(duì)于這種信號(hào)而言，工程師必須避免在電路板邊緣或附近連接器處使用過(guò)孔或布線。此外，信號(hào)還必須遠(yuǎn)離電源層，因?yàn)檫@會(huì)引起電源層噪聲。傳輸差分信號(hào)的布線應(yīng)盡量靠近彼此，從而可最有效地發(fā)揮磁場(chǎng)消除功能。
從源極向器件傳輸時(shí)鐘信號(hào)的布線應(yīng)有匹配終端，只要阻抗不匹配，就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)反射問(wèn)題。如果不注意處理反射信號(hào)問(wèn)題，大量能量就會(huì)輻射出去。不同形式的有效終端包括源點(diǎn)、端點(diǎn)和AC終端等。
對(duì)于面向振蕩器的布線而言，除接地外的其它布線不應(yīng)與振蕩器或其布線平行或在其下方運(yùn)行。此外，晶體也應(yīng)靠近所需的芯片。
由于返回電流總沿著最低電抗的路徑走，因此傳輸電流的接地布線應(yīng)靠近傳輸相關(guān)信號(hào)的布線，從而保持電流回路盡可能的短。
傳輸模擬信號(hào)的布線應(yīng)與高速或開(kāi)關(guān)信號(hào)分開(kāi)，而且必須用接地信號(hào)進(jìn)行保護(hù)。必須始終采用低通濾波器來(lái)去除周邊模擬布線耦合的高頻噪聲。
此外，模擬和數(shù)字子系統(tǒng)的接地層不能共享。
電路板外的注意事項(xiàng)
電源上的任何噪聲都可能影響工作中的器件功能。通常來(lái)說(shuō)，耦合在電源上的噪聲頻率高，因此需要旁路電容或去耦電容進(jìn)行濾波。
去耦電容為電源層到接地的高頻電流提供低阻抗路徑。電流流經(jīng)路徑至接地，這個(gè)路徑形成了接地回路。
該路徑應(yīng)保持盡可能低的電平，為此可讓去耦電容盡可能地靠近IC。
大型接地回路增加了輻射，可能是EMC故障的潛在來(lái)源。頻率越高，理想電容的電抗越趨近于零，市場(chǎng)上也不存在所謂真正理想的電容。
鉛和IC封裝也會(huì)增加電感。具有低等效串行電感的多個(gè)電容可用來(lái)提高去耦效果。
許多EMC相關(guān)的問(wèn)題都是由傳輸數(shù)字信號(hào)的電纜造成的，這些電纜實(shí)際發(fā)揮著高效天線的作用。理想情況下，進(jìn)入電纜的電流會(huì)在另一端流出，但實(shí)際上寄生電容和電感會(huì)造成輻射問(wèn)題。
采用雙絞線電纜有助于最大限度地減小耦合問(wèn)題，可消除任何感應(yīng)磁場(chǎng)。如果使用帶狀電纜，就必須提供多個(gè)接地返回路徑。對(duì)于高頻信號(hào)而言，必須使用屏蔽電纜，而且接地屏蔽要連接在電纜的頭尾處。
最后，屏蔽不是電氣解決方案，而是一種降低EMC的機(jī)械方法。金屬封裝(導(dǎo)電和/或磁性材料)可用來(lái)避免系統(tǒng)發(fā)出EMI。我們可用屏蔽覆蓋整個(gè)系統(tǒng)或部分系統(tǒng)，具體取決于相關(guān)要求。
屏蔽就是一種封閉導(dǎo)電容器的形式，可連接于接地，能通過(guò)吸收和反射部分輻射有效減小回路天線的尺寸。這樣，屏蔽也能作為兩區(qū)之間的分割，減弱一區(qū)向另一區(qū)的EM能量輻射。
屏蔽通過(guò)減弱輻射波的E場(chǎng)和H場(chǎng)來(lái)降低EMI。
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