在PCB板设计中,相近传输线上的信号之间由于电磁场的相互耦合而发生串扰,因此在进行PCB的电磁兼容设计时,首先考虑PCB的尺寸,PCB尺寸过大,印制线过长,阻抗必然增加,抗噪声能力下降,成本也会增加;PCB尺寸过小,邻近传输线之间容易发生串扰,而且散热性能不好。
根据电源、地的种类、信号线的密集程度、信号频率、特殊布线要求的信号数量、周边要素、成本价格等方面的综合因素来确定PCB板的层数。要满足EMC的严格指标并且考虑制造成本,适当增加地平面是PCB的EMC设计最好的方法之一。对电源层而言,一般通过内电层分割能满足多种电源的需要,但若需要多种电源供电,且互相交错,则必须考虑采用两层或两层以上的电源平面。对信号层而言,除了考虑信号线的走线密集度外,从EMC的角度,还需要考虑关键信号的屏蔽或隔离,以此确定是否增加相应层数。
2、PCB板的布局设计
PCB的布局通常应遵循以下原则:
(1)尽量缩短高频元器件之间的连线,减少他们的分布参数和相互之间的电磁干扰。容易受干扰的元件不能靠得太近,输入输出应尽量远离。
(2)某些元器件或导线之间可能有较高的电压,应加大他们之间的距离,以免放电引出意外短路。
(3)发热量大的器件应为散热片留出空间,甚至应将其装在整机的底版上,以利于散热。热敏元件应远离发热元件。
(4)按照电路的流程安排各功能单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致的方向。
(5)以每个功能模块的核心元件为中心,围绕它进行布局,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接长度。
(6)综合考虑各元件之间的分布参数。尽可能使元器件平行排列,这样不仅有利于增强抗干扰能力,而且外观美观,易于批量生产。
3、元器件的布局设计
相比于分立元件,集成电路元器件具有密封性好、焊点少、失效率低的优点,应优先选用。同时,选用信号斜率较慢的器件,可降低信号所产生的高频成分,充分使用贴片元器件能缩短连线长度,降低阻抗,提高电磁兼容性。
元器件布置时,首先按一定的方式分组,同组的放在一起,不相容的器件要分开布置,以保证各元器件在空间上不相互干扰。另外,重量较大的元器件应采用支架固定。
4、PCB板的布线设计
PCB布线设计总的原则是先时钟、敏感信号线,再布高速信号线,最后不重要信号线。布线时,在总的原则前提下,还需考虑以下细节:
(1)在多层板布线中,相邻层之间最好采用“井”字形网状结构。
(2)减少导线弯折,避免导线宽度突变,为防止特性阻抗变化,信号线拐角处应设计成弧形或用45度折线连接。
(3)PCB板的最外层导线或元器件离印制板边缘距离不小于2mm,不但可防止特性阻抗变化,还有利于PCB装夹。
(4)对于必须铺设大面积铜箔的器件,应该用栅格状,并且通过过孔与地层相连。
(5)短而细的导线能有效抑制干扰,但太小的线宽会增加导线电阻,导线的最小宽度可视通过导线的最大电流而定,一般而言,对于厚度为0.05mm,宽度为1mm铜箔允许的电流负荷为1A。对于小功率数字集成电路,选用0.2-0.5mm线宽即可。在同一PCB中,地线、电源线宽应大于信号线。
5、PCB板的电源线设计
(1)根据印制板PCB电流的大小,尽量加粗电源线和地线的宽度,减少环路电阻,同时,使电源线地线的走向和数据传递方向一致,有助于增强抗噪声能力。
(2)尽量选用贴片元件,缩短引脚长度,减少去耦电容供电回路面积,减少元件分布电感的影响。
(3)在电源变压器前端加电源滤波器,抑制共模噪声和差模噪声,隔离外部和内部脉冲噪声的干扰。
(4)印制电路板的供电线路应加上滤波电容和去耦电容。在板的电源引入端加上较大容量的电解电容做低频滤波,再并联一个容量较小的瓷片电容做高频滤波。
(5)不要把模拟电源和数字电源重叠放置,以免产生耦合电容,造成相互干扰。
6、PCB板的地线设计
(1)为了减少地环路干扰,必须想办法消除环路电流的形成,具体可采用隔离变压器,光耦隔离等切断地环路电流的形成或采用平衡电路消除环路电流等。
(2)为了消除公共阻抗的耦合,应减小公共地线部分的阻抗,加粗导线或对地线铺铜;另一方面可通过适当的接地方式避免相互干扰,如并联单点接地,串联混合单点接地,彻底消除公共阻抗。
(3)为消除数字器件对模拟器件的干扰,数字地和模拟地应分开,并单独设置模拟地和数字地。高频电路多采用串联接地方式,地线要短而且粗,高频元件周围尽量用栅格状大面积铺铜加以屏蔽。
7、PCB板的晶振电路的布局
晶振电路的频率较高,这使它成为系统中的重要干扰源。关于晶振电路的布局,有以下注意事项:
(1)晶振电路尽量靠近集成块,所有连接晶振输入/输出端的印制线尽量短,以减少噪声干扰及分布电容对晶振的影响。
(2)晶振电容地线应使用尽量宽而短的印制线连接至器件上;离晶振最近的数字地引脚,应尽量减少过孔。
(3)晶振外壳接地。
8、PCB板的静电防护设计
静电放电的特点是高电位、低电荷、大电流和短时间,对PCB设计的静电防护问题可从以下几方面进行考虑:
(1)尽量选择抗静电等级高的元器件,抗静电能力差的敏感元件应远离静电放电源。试验证明,每千伏静电电压的击穿距离约1mm,因此若将元器件同静电放电源保持16mm距离,即可抵抗约16KV的静电电压。
(2)保证信号回流具有最短通路,有选择性的加入滤波电容和去耦电容,提高信号线的静电放电免疫能力。
(3)采用保护器件如电压瞬态抑制二极管,对电路进行保护设计。
(4)相关人员在接触PCB时务必带上静电手环,避免人体电荷移动而导致静电积累损伤。