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1、EMC 和 ESD一：PCB 的 EMC 设计 1 PCB 的 EMC 简单对策 同系统 EMC 的解决措施一样 ,PCB 的 EMC 也要针对其三要素(干扰源、耦合途径、敏感装置)对症下药: 降低 EMI 强度 切断耦合途径 提高自身的抗扰能力 针对 PCB 的耦合途径之一传导干扰 ,我们通常采用扩大线间距、滤波等措施; 针对 PCB 的耦合途径之二辐射干扰 ,我们通常主要采取控制表层布线,增加屏蔽等手段; 2、 单板层设置的一般原则 A元器件下面(顶层、底层)为地平面,提供器件屏蔽层以及顶层布线提供回流平面; B所有信号层尽可能与地平面相邻(确保关键信号层与地平面相邻),关键信号不跨分割;
2、 C尽量避免两信号层直接相邻; D主电源尽可能与其对应地相邻 ; E兼顾层压结构对称; 具体 PCB 的层设置时,要对以上原则进行灵活掌握 (?),根据实际单板的需求,确定层的排布,切忌生搬硬套.以下为为单板层排布方案,供大家参考: 层数 电源 地 信号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 4 1 1 2 S1 G1 P1 S2 6 1 2 3 S1 G1 S2 P1 G2 S3 6 1 1 4 S1 G1 S2 S3 P1 S4 8 1 3 4 S1 G1 S2 G2 P1 S3 G3 S4 8 2 2 4 S1 G1 S2 P1 G2 S3 P2 S4 10 2 3 5
3、S1 G1 P1 S2 S3 G2 S4 P2 G3 S5 10 1 3 6 S1 G1 S2 S3 G2 P1 S4 S5 G3 S6 12 1 5 6 S1 G1 S2 G2 S3 G3 P1 S4 G4 S5 G5 G6 12 2 4 6 S1 G1 S2 G2 S3 P1 G3 S4 P2 S5 G4 S6 以六层板为例,以下有 3 种方案: AS1 G1 S2 S3 P1 S4 B S1 G1 S2 P1 G2 S3 C S1 G1 S2 G2 P1 S3 优先考虑方案 B,并优先考虑布线层 S2,其次是 S3、S1; 在成本较高时,可采用方案 A,优选布线层 S1,S2,其次是 S
4、3,S4; 对于局部、少量信号要求较高的场合,方案 C 比方案 A 更合适;(为什么?) (注意,在考虑电源、地平面的分割情况下,实际情况因分割等因素可能有所出入) 3电源、地系统的设计 31 滤波设计 311 滤波电路的基本概念 滤波电路是由电感、电容、电阻、铁氧体磁珠和共模线圈等构成的频率选择性网络,低通滤波器是 EMC 抑制技术中普遍应用的滤波器 ,低频信号可以很小的衰减通过,而高频信号则被滤除. 312 电源滤波 电源的滤波有三层: A 电源经滤波处理后,分别跨入单板各模块 ,此部分中间的电源通路滤波处理 B 板级滤波:储能、滤波电容 C 元件级滤波:去耦电容 3121 典型分散式供电
5、单板电源的设计 A按照原理框图布局,电源流向清晰 ,避免输入、输出交叉布局; B先防护,后滤波,防护通道线宽 50MIL; C各功能模块相对集中、紧凑(如模块电源的 CASE 管脚上电容靠近 CASE 管脚放置,且CASE 管脚到电容的连线短而粗), 严禁交叉、错位; D整个电流通路布线(或铜箔)线宽满足栽流能力要求,且50MIL(我司可适当减小) E电源输入到 DC/DC 的输入侧,除对应的平面外,一般采用内电层挖空处理,接口电源电源对应区域无其它走线、平面穿过; FVCC 输出滤波电路靠近 DC/DC 输出位置; 3122 单板内部电源的设计 A板内分支电源的设计 板内分支电源常用的为派型
6、滤波、LC 滤波或 DC/DC 变换 ,此类分支电源的设计要求为: (1) 靠近使用该电源的电路布局;滤波电路布局要紧凑; (2) 整个电源通道的线宽要满足载流需求; B关键芯片的电源设计 对于一些功耗大、高频、高速器件,其电源要求: (1) 在该芯片周围均匀放置 1-4 个电容(储能); (2) 对于芯片手册指定的电源管脚, 必须就近放置去藕电容 ,对去藕无特殊需求的情况下,可酌情考虑放置适当的去藕电容; (3) 滤波电容靠近 IC 的电源管脚放置,位置、数量适当; 32 地设计 321 常见接地方式及其特点: A 单点串联接地 B 单点并联接地 C 多点接地 D 混合接地 单点接地的好处是
7、接地线比较明确清楚,但在高频时阻抗大,可能影响 IC 自身的稳定工作,更多的时候是产生共阻抗干扰耦合到相邻的共地线 IC 上.我司现在根据单板的工作频率酌情处理,但在频率较高时,建议尽量减少使用单点接地(硬件提供此类要求). 多点接地的优点是 IC 工作有各自的电流回路,不会产生共地线阻抗的互扰问题,同时接地线很短,减少地线阻抗.但其不足之处为:单板高频回路数量剧增,这些高频电流回路对磁场很敏感(EMS 能力差),所以在进行设计时需要注意 . 混合接地结合了两者特点,低频电流单点接地,高频电流将沿着各自 IC 的接地电容回流,相互独立.(需要 LAYOUT 人员丰富自己的硬件知识) 322 单
8、板中各种地的命名和意义 PGND:机壳地 .和系统或插框的金属外壳相连,即和系统的基准地(大地) 相连,主要作用是为异地系统之间的相互通信提供统一的信号基准,同时为各种防护滤波电路通路电流的旁路点. GND:系统地.为系统或插框内各个单板之间的通信提供基准 (参考),多板集成时,主要存在主板上,一般形式为平面方式.单板上为 DGND 和 GND 连接 . DGND:数字信号地.是单板上各种数字电路和 IC 工作的基准. AGND:模拟信号地.是单板上各种模拟电路和 IC 工作的基准. (单板接地建议) 33 电源、地的分割 电源平面的设置需要满足以下条件: A 单一电源或多种互不交错的电源 ;
9、 B 相邻层的关键信号不跨分割区; (地平面的设置除满足电源平面的要求外,还要考虑回流的距离) C 元件面的下面(等 2 层或倒数第 2 层)有相对完整的平面; D 高频、高速、时钟等关键信号有一相邻地平面 ; E 关键电源有一对应地平面相邻; 34 20H 规则 什么是 20H 规则? 由于电源层与地层之间的电场是变化的,在板的边缘会向外辐射电磁干扰.我们称之为电源、地的边沿效应. 将电源层对地层适当内缩,可有效减少电源层与地层之间的对外 EMI 辐射,降低电源、地的边沿效应.以电源和地之间的介质厚度(H)为单位,若内缩 20H 则可以将 70%的电场限制在接地层边沿内;内缩 100H 则可
10、以将 98%的电场限制在内. 同理,普遍要求关键布线区域相对参考平面内缩 3H 以上. 4PCB 布局与 EMC 布局的基本原则: A参照原理功能框图,基于信号走向 ,按照功能模块划分 B数字电路与模拟电路、高速电路与低速电路、干扰源与敏感电路分开布局 C敏感信号、强辐射信号回路面积最小 D晶体、晶振、继电器、开关电源等强辐射器件或敏感器件远离单板对外接口连接器、敏感器件装置,推荐距离1000MIL E隔离器件、A/D 器件输入、输出互相分开 ,无耦合通路( 如相邻的参考平面),最好跨接于对应的分割区 41 滤波电容的布局 A单板接口位置应放置适量的储能电容 ; B所有分支电源接口电路; C存
11、在较大电流变化的区域,如电源模块的输入与输出端、风扇、继电器等; DPCB 电源接口电路(滤波); E去藕电容靠近电源,同时位置、数量适当; 42 接口电路布局 A接口信号的滤波、防护、和隔离等器件靠近接口连接器放置,先防护,后滤波 B接口变压器、光藕等隔离器件做到初次级完全隔离 C变压器与连接器之间的信号网络无交叉 D变压器对应的 BOTTOM 层区域尽可能没有其它器件放置 E接口 IC(网口、通信口 (高速)、串口等)尽量靠近变压器或连接器放置 F相应,网口、通信口(高速)、串口的接收、发送端匹配电阻靠近对应的接口 IC 放置 43 时钟电路布局 A时钟电路(晶振、时钟驱动电路等)离对外接
12、口电路1000MIL B多负载时,晶振、时钟驱动电路要与对应负载呈星型排布 C时钟驱动器靠近晶振放置,推荐曼哈顿距离1000MIL D时钟输出的匹配电阻靠近晶振或时钟驱动电路的输出脚,推荐距离1000MIL E晶振、时钟驱动电路必须进行 LC 或派型滤波,滤波电路的布局遵照电源滤波电路布局要求 F时钟驱动电路远离敏感电路 G不同的晶振及时钟电路不相邻放置 44 其它模块布局的基本原则 A看门狗电路及复位电路远离接口 B隔离器件如磁珠、变压器、光藕放在分割线上,且两侧分开 C扣板连接器周围的滤波电容布局数量、位置合理 D板内散热器接地(推荐多点接地),且远离接口,推荐距离1000MIL; EA/
13、D、D/A 器件放在模拟、数字信号分界处,避免模拟、数字信号布线交叠 F同一差分线对上的滤波器件同层、就近、并行、对称放置 5 PCB 布线与 EMC 布线基本原则 A走线短,间距宽,过孔少, 无环路 B有延时要求的走线,其长度符合要求 C无直角,对关键信号线优先采用元弧倒角 (差别不大) D相邻层信号走线互相垂直或相邻层的关键信号平行布线 1000MIL E走线线宽无跳变或满足阻抗一致 51 电源、地的布线要求 A无环路地,电源及对应地构成的回路面积小 B共用一个电源、地过孔的管脚数4 C滤波电容的电源、地走线宽度、长度需优先 D屏蔽地线接地过孔间距 3000MIL 52 接口电路布线 A接
14、口变压器等隔离器件初、次级互相隔离 ,无相邻平面等耦合通路,对应参考平面隔离宽度100MIL B接口电路的布线要遵循先防护、后滤波的原则顺序 C接口电路的差分线遵守: 并行、同层、等长;(不同线对满足 3W 原则) DPGND 以外的参考平面与接口位置的 PGND 平面无重叠 E板边接插件孔金属化,并接 PGND F跨分割的复位线在跨分割处加桥接措施( 地线或电容) G接口 IC 的电源、地参考器件手册处理 ,如果需要分割时,数字部分不能扩展到外接接口信号线附近 53 时钟电路布线 A表层无时钟线或布线长度 500MIL, 关键时钟表层布线 200MIL,并且要有完整地平面作回流,跨分割位置已
15、做桥接处理 B晶振及时钟驱动电路区域相邻层无其它布线穿过 C与电源滤波电路布线要求相同 D时钟线周围避免有其它信号线 (推荐满足 3W) E不同时钟信号之间拉大距离(满足 5W) F当时钟信号换层且回流参考平面也改变时,推荐在时钟线换层过孔旁布一接地过孔 G时钟布线与 I/O 接口、端子的间距1000MIL H时钟线与相邻层平行布线的平行长度 1000MIL I 时钟线无线头,若出于增加测试点的需要 ,则线头长度500MIL 54 其他布线要求 A单板已做传输线阻抗控制及匹配处理 B无孤立铜皮,散热片/器做接地处理 C地址总线(尤其是低 3 位的地址总线 A0、A1 、A2)参照时钟布线要求
16、D差分线除保持基本原则外 ,不能有其它线在中间 E关键信号走线未跨分割(包括过孔,焊盘导致的参考平面缝隙) F滤波器等器件的输入、输出信号线未互相平行、交叉走线 G关键信号线距参考平面边沿 3H I. 电源1A 的电源所用的表贴器件的焊盘要至少有 2 个连接到相应的电源平面二：PCB 布线是 ESD 防护的一个关键要素，合理的 PCB 设计可以减少故障检查及返工所带来的不必要成本。在 PCB 设计中，由于采用了瞬态电压抑止器(TVS)二极管来抑止因ESD 放电产生的直接电荷注入，因此 PCB 设计中更重要的是克服放电电流产生的电磁干扰(EMI)电磁场效应。本文将提供可以优化 ESD 防护的 PCB 设计准则
