PCB的EMC设计（四）

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4．PCB板的地线设计
　　在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和模拟地等。
　　在PCB板的地线设计中，接地技术既应用于多层PCB，也应用于单层PCB。接地技术的目标是最小化接地阻抗，从此减少从电路返回到电源之间的接地回路的电势。
　　(1) 正确选择单点接地与多点接地
在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1~10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量布置栅格状大面积接地铜箔。
　　(2) 将数字电路与模拟电路分开
　　电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。
　　(3) 尽量加粗接地线
　　若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三倍于印制线路板的允许电流。如有可能，接地线的宽度应大于3mm。
　　(4) 将接地线构成闭环路
　　设计只由数字电路组成的印制线路板的地线系统时，将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。其原因在于：印制线路板上有很多集成电路元件，尤其遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地结上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降，若将接地结构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。
　　(5) 当采用多层线路板设计时，可将其中一层作为“全地平面”，这样可减少接地阻抗，同时又起到屏蔽作用。我们常常在印制板周边布一圈宽的地线，也是起着同样的作用。
　　(6) 单层PCB的接地线
　　在单层（单面）PCB中，接地线的宽度应尽可能的宽，且至少应为1.5mm(60mil)。由于在单层PCB上无法实现星形布线，因此跳线和地线宽度的改变应当保持为最低，否则将引起线路阻抗与电感的变化。
　　(7) 双层PCB的接地线
　　在双层（双面）PCB中，对于数字电路优先使用地线栅格/点阵布线，这种布线方式可以减少接地阻抗、接地回路和信号环路。像在单层PCB中那样，地线和电源线的宽度最少应为1.5mm。
　　另外的一种布局是将接地层放在一边，信号和电源线放于另一边。在这种布置方式中将进一步减少接地回路和阻抗。此时，去耦电容可以放置在距离IC供电线和接地层之间尽可能近的地方。
　　(8) PCB电容
　　在多层板上，由分离电源面和地面的绝缘薄层产生了PCB电容。在单层板上，电源线和地线的平行布放也将存在这种电容效应。PCB电容的一个优点是它具有非常高的频率响应和均匀的分布在整个面或整条线上的低串连电感，它等效于一个均匀分布在整个板上的去耦电容。没有任何一个单独的分立元件具有这个特性。
　　(9) 高速电路与低速电路
　　布放高速电路和元件时应使其更接近接地面，而低速电路和元件应使其接近电源面。
　　(10) 地的铜填充
　　在某些模拟电路中，没有用到的电路板区域是由一个大的接地面来覆盖，以此提供屏蔽和增加去耦能力。但是假如这片铜区是悬空的（比如它没有和地连接），那么它可能表现为一个天线，并将导致电磁兼容问题。
　　(11) 多层PCB中的接地面和电源面
在多层PCB中，推荐把电源面和接地面尽可能近的放置在相邻的层中，以便在整个板上产生一个大的PCB电容。速度最快的关键信号应当临近接地面的一边，非关键信号则布置靠近电源面。
　　(12) 电源要求
　　当电路需要不止一个电源供给时，采用接地将每个电源分离开。但是在单层PCB中多点接地是不可能的。一种解决方法是把从一个电源中引出的电源线和地线同其他的电源线和地线分隔开，这同样有助于避免电源之间的噪声耦合。

5．模拟数字混合线路板的设计
　　如何降低数字信号和模拟信号间的相互干扰呢？有两个基本原则：第一个原则是尽可能减小电流环路的面积；第二个原则是系统只采用一个参考面。相反，如果系统存在两个参考面，就可能形成一个偶极天线(注：小型偶极天线的辐射大小与线的长度、流过的电流大小以及频率成正比)；而如果信号不能通过尽可能小的环路返回，就可能形成一个大的环状天线(注：小型环状天线的辐射大小与环路面积、流过环路的电流大小以及频率的平方成正比)。在设计中要尽可能避免这两种情况。
　　有人建议将混合信号电路板上的数字地和模拟地分割开，这样能实现数字地和模拟地之间的隔离。尽管这种方法可行，但是存在很多潜在的问题，在复杂的大型系统中问题尤其突出。最关键的问题是不能跨越分割间隙布线，一旦跨越了分割间隙布线，电磁辐射和信号串扰都会急剧增加。在PCB设计中最常见的问题就是信号线跨越分割地或电源而产生EMI问题。
　　了解电流回流到地的路径和方式是优化混合信号电路板设计的关键。许多设计工程师仅仅考虑信号电流从哪儿流过，而忽略了电流的具体路径。如果必须对地线层进行分割，而且必须通过分割之间的间隙布线，可以先在被分割的地之间进行单点连接，形成两个地之间的连接桥，然后通过该连接桥布线。这样，在每一个信号线的下方都能够提供一个直接的电流回流路径，从而使形成的环路面积很小。
　　采用光隔离器件或变压器也能实现信号跨越分割间隙。对于前者，跨越分割间隙的是光信号；在采用变压器的情况下，跨越分割间隙的是磁场。还有一种可行的办法是采用差分信号：信号从一条线流入从另外一条信号线返回，这种情况下，不需要地作为回流路径。
　　在实际工作中一般倾向于使用统一地，将PCB分区为模拟部分和数字部分。模拟信号在电路板所有层的模拟区内布线，而数字信号在数字电路区内布线。在这种情况下，数字信号返回电流不会流入到模拟信号的地。只有将数字信号布线在电路板的模拟部分之上或者将模拟信号布线在电路板的数字部分之上时，才会出现数字信号对模拟信号的干扰。出现这种问题并不是因为没有分割地，真正原因是数字信号布线不适当。
　　在将A/D转换器的模拟地和数字地管脚连接在一起时，大多数的A/D转换器厂商会建议：将AGND和DGND管脚通过最短的引线连接到同一个低阻抗的地上。如果系统仅有一个A/D转换器，上面的问题就很容易解决。将地分割开，在A/D转换器下面把模拟地和数字地部分连接在一起。采取该方法时，必须保证两个地之间的连接桥宽度与IC等宽，并且任何信号线都不能跨越分割间隙。如果系统中A/D转换器较多，例如10个A/D转换器怎样连接呢？如果在每一个A/D转换器的下面都将模拟地和数字地连接在一起，则产生多点相连，模拟地和数字地之间的隔离就毫无意义。而如果不这样连接，就违反了厂商的要求。
　　最好的办法是开始时就用统一地。将统一的地分为模拟部分和数字部分。这样的布局布线既满足了IC器件厂商对模拟地和数字地管脚低阻抗连接的要求，同时又不会形成环路天线或偶极天线而产生EMC问题。
混合信号PCB设计是一个复杂的过程，设计过程要注意以下几点：
　　(1) PCB分区为独立的模拟部分和数字部分。
　　(2) 合适的元器件布局。
　　(3) A/D转换器跨分区放置。
　　(4) 不要对地进行分割。在电路板的模拟部分和数字部分下面敷设统一地。
　　(5) 在电路板的所有层中，数字信号只能在电路板的数字部分布线；模拟信号只能在电路板的模拟部分布线。
　　(6) 实现模拟和数字电源分割。
　　(7) 布线不能跨越分割电源面之间的间隙。
　　(8) 必须跨越分割电源之间间隙的信号线要位于紧邻大面积地的布线层上。
　　(9) 分析返回地电流实际流过的路径和方式。
　　(10) 采用正确的布线规则。
　　6．PCB设计时的电路措施
　　我们在设计电子线路时，比较多考虑的是产品的实际性能，而不会太多考虑产品的电磁兼容特性和电磁骚扰的抑制及电磁抗干扰特性。用这样的电路原理图进行PCB的排板时为达到电磁兼容的目的，必须采取必要的电路措施，即在其电路原理图的基础上增加必要的附加电路，以提高其产品的电磁兼容性能。实际PCB设计中可采用以下电路措施：
　　(1) 可用在PCB走线上串接一个电阻的办法，降低控制信号线上下沿跳变速率。
　　(2) 尽量为继电器等提供某种形式的阻尼（高频电容、反向二极管等）。
　　(3) 对进入印制板的信号要加滤波，从高噪声区到低噪声区的信号也要加滤波，同时用串终端电阻的办法，减小信号反射。
　　(4) MCU无用端要通过相应的匹配电阻接电源或接地。或定义成输出端，集成电路上该接电源、地的端都要接，不要悬空。
　　(5) 闲置不用的门电路输入端不要悬空，而是通过相应的匹配电阻接电源或接地。闲置不用的运放正输入端接地，负输入端接输出端。
　　(6) 为每个集成电路设一个高频去耦电容。每个电解电容边上都要加一个小的高频旁路电容。
　　(7) 用大容量的钽电容或聚酯电容而不用电解电容作电路板上的充放电储能电容。使用管状电容时，外壳要接地。
　　

结束语
　　印制线路板是电子产品最基本的部件，也是绝大部分电子元器件的载体。当一个产品的印制线路板设计完成后，可以说其核心电路的骚扰和抗扰特性就基本已经确定下来了，要想再提高其电磁兼容特性，就只能通过接口电路的滤波和外壳的屏蔽来“围追堵截”了，这样不但大大增加了产品的后续成本，也增加了产品的复杂程度，降低了产品的可靠性。可以说一个好的印制线路板可以解决大部分的电磁骚扰问题，只要同时在接口电路排板时增加适当瞬态抑制器件和滤波电路就可以同时解决大部分抗扰度问题。
　　印制线路板的电磁兼容设计是一个技巧性很强的工作，同时，也需要大量的经验积累。一个电磁兼容设计良好的印制板是一个完美的“工艺品”，是无法抄袭和照搬的。但这并不是说我们的印制线路板就不必考虑产品的电磁兼容性能，只有通过外围电路和外壳进行补救了。只要我们在PCB设计中能遵守本文所罗列的设计规则，也可以解决大部分的电磁兼容问题，再通过少量的外围瞬态抑制器件和滤波电路及适当的外壳屏蔽和正确的接地，就可以完成一个满足电磁兼容要求的产品。若我们注意平时的经验和技术的积累和总结，最终我们也可以成为PCB“工艺品”设计大师，设计出自己的PCB“工艺极品”。