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    PCB电磁兼容设计应参考的模块划分和器件布局

    发布时间:2016-04-08 20:07:06

    本文主要内容:在具体的电路中正确进行模块划分和器件布局

    讨论PCB的电磁兼容设计,不能不讨论PCB的模块划分及关键器件布局。一方面是因为某些频率发生器件、驱动器、电源模块、滤波器件等在PCB上的相对位置和方向都会对电磁场的发射和接收产生巨大影响,另一方面是因为以上布局的优劣将直接影响到布线的质量。

    模块划分

    按功能划分

    各种电路模块实现不同的功能,比如时钟电路、放大电路、驱动电路、A/D、D/A转换电路、I/O电路、开关电源、滤波电路等,它们实现的功能是各不相同的。

    一个完整的设计可能包含了其中多种功能的电路模块,在进行10BET线上时,可依据信号流向,对整个电路进行模块划分,从而保证整个布局的合理性,达到整体布线路径最短,各个模块互不交错,减少模块间互相干扰的可能性。

    按频率划分

    按照信号的工作频率和速率可以对电路模块进行划分;高、中、低频率渐次展开,互不交错。

    按信号类型划分

    按信号类型可以分为数字电路和模拟电路两部分。

    为了降低数字电路对模拟电路的干扰,使他们能和平共处,达到兼容状态,在PCB布局时需要给他们定义不同的区域,从空间上进行必要的隔离,减小相互之间的耦合。对于数、模转换电路,如A/D、D/A转换电路,应该布放在数字电路和模拟电路的交界处,器件放置的方向应以信号的流向为前提,使信号引线距离最短,并使模拟部分的管脚位于数字地的上方。

    器件布局

    综合布局

    电路布局的一个原则就是应该按照信号流向关系,尽可能做到使关键的高速信号走线最短,其次考虑电路板的整齐、美观。时钟信号应尽可能短,若时钟走线无法缩短,则应在时钟线的两侧加屏蔽地线,对于比较敏感的信号线,也应考虑屏蔽措施。

    时钟电路具有较大的对外辐射,会对一些敏感的电路,特别是模拟电路产生较大的影响,因此在电路布局时应让时钟电路远离其他无关电路,为了防止时钟信号的对外辐射,时钟电路一般应远离I/O电路和电缆连接器。

    低频数字I/O电路和模拟I/O电路应靠近连接器布放,时钟电路、高频电路和存储器等器件常布放在电路板的最靠近里边的位置,中低频逻辑电路一般放在电路板的中间位置;如果有A/D、D/A电路,则一般放在电路板的中间位置。

    下面是一些基本要点。

    1. 1. 区域分割,不同功能种类的电路应该放于不同的区域,如对数字电路、模拟电路、接口电路、时钟、电源等进行分区。
    2. 2. 数、模转换电路应布放在数字电路区域和模拟电路区域的交界处。
    3. 3. 时钟电路、高速电路、存储器电路应布放在电路板最靠近里边的位置,低频数字I/O电路和模拟I/O电路应靠近连接器布放。
    4. 4. 应该采用基于信号流的布局,使关键信号的高频信号的连线最短,而不是首先考虑电路板的整齐、美观。
    5. 控制驱动部分远离屏蔽体的局部开孔,并应尽快离开本板。
    6. 5. 晶体、晶振等应就近与对应的IC放置。
    7. 6. 基准电压源(模拟电压信号输入线、A/D变换参考电源)要尽量远离数字信号。

    特殊器件的布局

    电源部分

    在分散供电的电路板上都要有一个或者多个DC/DC电源模块,加上与之相关的电路,如滤波、防护等电路共同构成电路板电源的输入部分。

    现代的开关电源是EMI产生的重要源头,干扰频带可以达到300MHz以上,系统中多个单板都有自己独立的电源,但干扰却能通过背板或空间传播到其他的单板上,而单板供电线路越长,产生的问题越大,所以电源部分必须安装在单板电源入口处,如果存在大面积的电源部分,也要求统一放在单板一侧。

    电源部分放置方向上主要是考虑输入/输出线的顺畅,避免交叉。

    另外,因为往往单板的电源部分相对比较独立,而又常常会产生EMI的问题,所以推荐利用过孔带或分割线将电源部分和其他电路部分进行分割。

    时钟部分

    时钟往往是单板最大的干扰源,也是进行10BET线上时最需要特殊处理的地方,布局时一方面要使时钟源离单板的边距离尽量大,另一方面要使时钟输出到负载的走线尽量短。

    电感线圈

    线圈(包括继电器)是最有效的接收和发射磁场的器件,建议线圈放置在离EMI源尽量远的地方,这些发射源可能是开关电流、时钟输出、总线驱动等。

    线圈下方PCB板上不能有高速走线或敏感的控制线,如果不能避免,就一定要考虑线圈的方向问题,要使场强方向和线圈的平面平行,保证穿过线圈的磁力线最少。

    总线驱动部分

    随着系统容量越来越大,总线速率越来越高,总线驱动能力要求也越来越高,而总线数量也大量增加,总线匹配难以做到十分完美,所以一般总线驱动器附近的辐射场强很强,总线驱动器是时钟之外的另一主要EMI源。

    在布局上,要求总线驱动部分离单板拉手条的距离尽量远,减小对系统外的辐射,同时要求驱动后的信号到末端的距离尽量靠近。

    滤波器件

    滤波措施是必不可少也是最常用的手段,原理设计中提到了很多的滤波措施,比如去耦电容、三端电容、磁珠、电源滤波、接口滤波等,但在进行10BET线上时,如果滤波器的位置放置不当,那么滤波效果将大打折扣,甚至起不到滤波作用。

    滤波器件的安装一般考虑的是就近原则:

    1. 1. 去耦电容要尽量靠近IC的电源管脚;
    2. 2. 电源滤波要尽量靠近电源输入或电源输出;
    3. 3. 局部功能模块的滤波要靠近模块的入口;
    4. 4. 对外接口的滤波要尽量靠近接插件等。

    在具体的电路中正确进行模块划分和器件布局

    讨论PCB的EMC设计,不能不讨论PCB的模块划分及关键器件布局。一方面是因为某些频率发生器件、驱动器、电源模块、滤波器件等在PCB上的相对位置和方向都会对电磁场的发射和接收产生巨大影响,另一方面是因为以上布局的优劣将直接影响到布线的质量。

    模块划分

    按功能划分

    各种电路模块实现不同的功能,比如时钟电路、放大电路、驱动电路、A/D、D/A转换电路、I/O电路、开关电源、滤波电路等,它们实现的功能是各不相同的。

    一个完整的设计可能包含了其中多种功能的电路模块,在进行10BET线上时,可依据信号流向,对整个电路进行模块划分,从而保证整个布局的合理性,达到整体布线路径最短,各个模块互不交错,减少模块间互相干扰的可能性。

    按频率划分

    按照信号的工作频率和速率可以对电路模块进行划分;高、中、低频率渐次展开,互不交错。

    按信号类型划分

    按信号类型可以分为数字电路和模拟电路两部分。

    为了降低数字电路对模拟电路的干扰,使他们能和平共处,达到兼容状态,在PCB布局时需要给他们定义不同的区域,从空间上进行必要的隔离,减小相互之间的耦合。对于数、模转换电路,如A/D、D/A转换电路,应该布放在数字电路和模拟电路的交界处,器件放置的方向应以信号的流向为前提,使信号引线距离最短,并使模拟部分的管脚位于数字地的上方。

    器件布局

    综合布局

    电路布局的一个原则就是应该按照信号流向关系,尽可能做到使关键的高速信号走线最短,其次考虑电路板的整齐、美观。时钟信号应尽可能短,若时钟走线无法缩短,则应在时钟线的两侧加屏蔽地线,对于比较敏感的信号线,也应考虑屏蔽措施。

    时钟电路具有较大的对外辐射,会对一些敏感的电路,特别是模拟电路产生较大的影响,因此在电路布局时应让时钟电路远离其他无关电路,为了防止时钟信号的对外辐射,时钟电路一般应远离I/O电路和电缆连接器。

    低频数字I/O电路和模拟I/O电路应靠近连接器布放,时钟电路、高频电路和存储器等器件常布放在电路板的最靠近里边的位置,中低频逻辑电路一般放在电路板的中间位置;如果有A/D、D/A电路,则一般放在电路板的中间位置。

    下面是一些基本要点。

    1. 1. 区域分割,不同功能种类的电路应该放于不同的区域,如对数字电路、模拟电路、接口电路、时钟、电源等进行分区。
    2. 2. 数、模转换电路应布放在数字电路区域和模拟电路区域的交界处。
    3. 3. 时钟电路、高速电路、存储器电路应布放在电路板最靠近里边的位置,低频数字I/O电路和模拟I/O电路应靠近连接器布放。
    4. 4. 应该采用基于信号流的布局,使关键信号的高频信号的连线最短,而不是首先考虑电路板的整齐、美观。
    5. 5. 控制驱动部分远离屏蔽体的局部开孔,并应尽快离开本板。
    6. 6. 晶体、晶振等应就近与对应的IC放置。
    7. 7. 基准电压源(模拟电压信号输入线、A/D变换参考电源)要尽量远离数字信号。

    特殊器件的布局

    电源部分

    在分散供电的电路板上都要有一个或者多个DC/DC电源模块,加上与之相关的电路,如滤波、防护等电路共同构成电路板电源的输入部分。

    现代的开关电源是EMI产生的重要源头,干扰频带可以达到300MHz以上,系统中多个单板都有自己独立的电源,但干扰却能通过背板或空间传播到其他的单板上,而单板供电线路越长,产生的问题越大,所以电源部分必须安装在单板电源入口处,如果存在大面积的电源部分,也要求统一放在单板一侧。

    电源部分放置方向上主要是考虑输入/输出线的顺畅,避免交叉。

    另外,因为往往单板的电源部分相对比较独立,而又常常会产生EMI的问题,所以推荐利用过孔带或分割线将电源部分和其他电路部分进行分割。

    时钟部分

    时钟往往是单板最大的干扰源,也是进行10BET线上时最需要特殊处理的地方,布局时一方面要使时钟源离单板的边距离尽量大,另一方面要使时钟输出到负载的走线尽量短。

    电感线圈

    线圈(包括继电器)是最有效的接收和发射磁场的器件,建议线圈放置在离EMI源尽量远的地方,这些发射源可能是开关电流、时钟输出、总线驱动等。

    线圈下方PCB板上不能有高速走线或敏感的控制线,如果不能避免,就一定要考虑线圈的方向问题,要使场强方向和线圈的平面平行,保证穿过线圈的磁力线最少。

    总线驱动部分

    随着系统容量越来越大,总线速率越来越高,总线驱动能力要求也越来越高,而总线数量也大量增加,总线匹配难以做到十分完美,所以一般总线驱动器附近的辐射场强很强,总线驱动器是时钟之外的另一主要EMI源。

    在布局上,要求总线驱动部分离单板拉手条的距离尽量远,减小对系统外的辐射,同时要求驱动后的信号到末端的距离尽量靠近。

    滤波器件

    滤波措施是必不可少也是最常用的手段,原理设计中提到了很多的滤波措施,比如去耦电容、三端电容、磁珠、电源滤波、接口滤波等,但在进行10BET线上时,如果滤波器的位置放置不当,那么滤波效果将大打折扣,甚至起不到滤波作用。

    滤波器件的安装一般考虑的是就近原则:

    1. 1. 去耦电容要尽量靠近IC的电源管脚;
    2. 2. 电源滤波要尽量靠近电源输入或电源输出;
    3. 3. 局部功能模块的滤波要靠近模块的入口;
    4. 4. 对外接口的滤波要尽量靠近接插件等。

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