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[導讀]電磁兼容性(EMC)及其相關的電磁干擾(EMI)一直是系統(tǒng)設計工程師需要重點關注的問題。在當今電路板設計和元器件封裝尺寸不斷縮小,同時OEM對系統(tǒng)速度要求日益提升的背景下,這兩個問題對PCB布局和設計工程師來說更具挑戰(zhàn)性。

電磁兼容性(EMC)及其相關的電磁干擾(EMI)一直是系統(tǒng)設計工程師需要重點關注的問題。在當今電路板設計和元器件封裝尺寸不斷縮小,同時OEM對系統(tǒng)速度要求日益提升的背景下,這兩個問題對PCB布局和設計工程師來說更具挑戰(zhàn)性。

EMC涉及電磁能的產(chǎn)生、傳播和接收,是PCB設計中需要避免的。電磁能源自多個方面,且這些源頭往往相互交織,因此設計師必須謹慎行事,確保電路、走線、過孔以及PCB材料在協(xié)同工作時能夠保持信號的兼容性并避免相互干擾。

另一方面,EMI是由EMC或不必要的電磁能所引發(fā)的一種破壞性影響。在此類電磁環(huán)境中,PCB設計師必須致力于減少電磁能的產(chǎn)生,從而將干擾降至最低。

在PCB設計中避免電磁問題的六個技巧包括?:

?合理布局與布線?:盡量采用層板設計,減少各信號線的相互干擾。將電源和地線進行層間交錯設置,減少電流回路的大小和天線效應。合理布局各個器件,減少無用電流的流動。將模擬電路和數(shù)字電路分開布局,以減少它們之間的相互干擾?。

?地線設計和布局?:地線的設計和布局對于降低電磁干擾非常重要。盡量將數(shù)字和模擬地線分開布局,使用較寬的地線以降低地線阻抗,減少地線上的電壓降。對于高頻電路,接地線應短而粗,并大量應用網(wǎng)格狀銅箔以減少阻抗?。

?減少信號線的串擾?:選擇適當?shù)男盘柧€間距,盡量將它們分開。采用屏蔽罩、地平面等方法進行屏蔽。使用差分信號線,通過差分信號的抵消作用來減少串擾的影響。在布局和布線時,注意布線對稱和平衡,以進一步減少串擾?。

?去耦電容的使用?:在電路板設計中使用去耦電容可以減少串擾的不良影響。去耦電容應位于設備的電源引腳和接地引腳之間,以確保交流阻抗較低,減少噪聲和串擾。為了在寬頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)低阻抗,應使用多個去耦電容?23。

?屏蔽與濾波?:在必要時添加金屬屏蔽或屏蔽層來減少電磁干擾。例如,將高頻組件與其他組件分開,并使用屏蔽盒來隔離它們。添加低通濾波器來抑制高頻噪聲,使用抑制器來抑制電磁干擾?。

?仿真與驗證?:在PCB設計完成后,使用電磁仿真軟件進行電磁場分析和輻射分析,以檢測電磁干擾和輻射問題。根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化PCB設計,確保滿足電磁兼容性要求?。

確保電流流動順暢,避免振蕩器等設備的電流與接地層過于接近或并行。并行走線應保持足夠的間距,以減少串擾和EMI。理想的間距是走線寬度的兩倍。

在設備電源引腳和接地引腳之間放置去耦電容,以降低交流阻抗,減少噪聲和串擾。最小值電容應盡可能靠近設備,以減少電感效應。

擴大接地面積,確保每個元件都正確接地,以減少發(fā)射、串擾和噪聲。在多層PCB設計中,使用連續(xù)的接地層而非分散的接地點,以保持低阻抗。

直角走線會增加輻射和反射,引起EMI。應采用45°角布線,應避免走線、過孔及其它元器件形成90°角。

過孔會產(chǎn)生電感和電容,可能引起反射和阻抗變化。在差分走線中避免使用過孔,或在兩條走線中同時使用,以保持信號和返回路徑的一致性。

使用雙絞線電纜減少寄生效應,對于高頻信號,使用屏蔽電纜以消除EMI干擾。物理屏蔽可以防止EMI進入電路板,類似于封閉的接地導電容器,有助于減小天線環(huán)路尺寸并吸收EMI。

一、接地設計

使用大面積的地平面:

地平面是預防EMI(電磁干擾)的第一防線。在PCB內(nèi)部盡可能多地增加接地區(qū)域,通過接地的區(qū)域可以有效地分散、減少流出和串擾。

每個組件都應該連接到接地平面或者接地點。對于高頻電路,接地線應短而粗,并大量應用網(wǎng)格狀銅箔以減少阻抗。

單點并聯(lián)與多點串聯(lián)接地:

低頻電路應更多地依賴單點并聯(lián)接地,以減少地電位差。

高頻電路則通常依賴于多點串聯(lián)接地,以減小地線電感。

避免形成環(huán)路:單獨的電路單獨接地,除特殊要求外,不要把地形成環(huán)路,以減少電磁輻射和耦合。

二、電源設計

去耦電容:在IC芯片電源兩端橋接一個電容為0.01μF至0.1μF的去耦電容,可以顯著降低整個電路板的噪聲和浪涌電流。

電源濾波:在交流電源線處布置濾波器,以平滑電源電壓并減少電源噪聲。濾波器的輸入和輸出線應從電路板的兩側(cè)引出,引線應盡可能短。

電源保護設計:包括過流保護、欠壓報警、軟啟動和過壓保護等,以確保電源的穩(wěn)定性和可靠性。

三、布局與布線

信號分離:

將數(shù)字電路、模擬電路和噪聲源獨立放置在板上,高頻電路應與低頻電路隔離。

敏感信號元件應遠離電源和大功率設備,敏感信號線絕不允許穿過大功率設備。

縮短信號走線長度:盡量縮短信號線的長度,以減少電磁耦合和輻射。同時,使用適當?shù)淖杩蛊ヅ鋪肀苊庑盘柺д妗?

避免平行與交叉走線:盡量減少信號線和電源線、地線的交叉和平行走線,以減少電磁耦合。

過孔設計:小心使用過孔,因為它們可能增加走線長度和電感效應。在需要時,使用多個45度或更小的角度進行布線,以避免反射。

四、屏蔽與濾波

添加屏蔽:在必要時,可以添加金屬屏蔽或屏蔽層來減少電磁干擾。例如,將高頻組件與其他組件分開,并使用屏蔽盒來隔離它們。

濾波器與抑制器:添加低通濾波器來抑制高頻噪聲,添加抑制器來抑制電磁干擾。這些措施有助于將串擾、噪音和輻射水平控制在可接受的水平范圍內(nèi)。

五、仿真與驗證

仿真驗證:

在PCB設計完成后,使用電磁仿真軟件進行電磁場分析和輻射分析,以檢測電磁干擾和輻射問題。

根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化PCB設計,確保滿足電磁兼容性的要求。

六、其他注意事項

選擇合適的PCB層數(shù):對于高密度布線和高完整性芯片電路,應選擇多層PCB以提供更好的電磁屏蔽和抗干擾能力。

組件選擇與布局:

優(yōu)先選用封裝優(yōu)良、焊點少、故障率低的IC元件。

將產(chǎn)生大量熱量的組件組裝在成品盒子的底板上,并確保良好的散熱。

避免45°到90°的走線轉(zhuǎn)角:走線轉(zhuǎn)角處應避免45°到90°的銳角,以減少電容增加和特性阻抗變化導致的反射。

以上方法可以幫助你降低或消除PCB設計中的電磁干擾問題。不過,具體的解決方案可能因設計需求、電路特性和應用環(huán)境而有所不同,因此在實際應用中需要綜合考慮各種因素。

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