《3C认证中的PCB设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3C认证中的PCB设计.doc（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2003年度信息技术及其应用论文集 3C认证中的PCB设计3C认证中的PCB设计 江苏国光信息产业股份有限公司 李银玉摘 要：信息产品3 认证是国家强制性认证,其整机设计应符合国标GB4943(信息技术设备的安全)、GB9254(信息技术设备的无线电骚扰限值和测量放法)、GB17618(信息技术设备抗拢度限值测量方法)等标准的规定，其中有耐压、绝缘、阻燃、电磁辐射发射、电磁敏感度等几大方面二三十项技术要求，所以在产品设计时就应预先考虑、精心统筹设计。而PCB是整机元器件的支撑件、联接件、又是能量核心所在地，所以PCB的认证设计是信息产品设计的关键性设计。本文从安全性、电磁兼容性、可靠性、工艺性
2、四方面出发，阐明了相关应用理论和强制规定，结合多年的工作实践，提出了PCB设计过程中选材、布局、主要元器件的选择及地线、电源线、信号线的布线规则、及其相关注意事项，以文字和图表形式，例举了不同形式、不同线路组合的PCB设计优秀方案及其主导设计思想，并分析了不良设计的原因及克服方法，供有关设计人员参考应用。关键词：绝缘 阻燃 爬电距离 危险电压 安全特低电压 接地电阻 差模辐射 环流面积 共地阻抗 共模辐射、静电、浪涌冲击。PCB设计是整机3C认证设计的关键设计，其设计应充分考虑到整机的安全性、可靠性、电磁兼容性和工艺性诸多要素，根据目前IT行业整机产品越来越精密、越来越复杂的特点， 要符合国标
3、GB4943、GB9254、GB6833、GB17168等标准的规定，其中耐压、绝缘、阻燃、电击、电磁辐射发射、电磁敏感度等几大方面，二三十项技术要求，必须在产品设计时就预先考虑，精心统筹设计，才能做好。设计人员、工艺人员在设计、工艺方案中必须体现出来，才能较好地实现3C认证设计，PCB是整机元器件的支撑件又是联接件，能量核心所在，所以成为整个3C认证设计的关键设计。新品设计时，在整机外形、结构及充分考虑产品应达到的功能情况下，统筹兼顾，确定印制板的毛坯尺寸，这就划定了PCB设计的舞台，设计随即可运作开始。1 印制板使用的种类PCB目前尚有简单的电源板等是属单面板，其它绝大部分是双面板、四层板
4、、六层板、八层板，不管其层次多少，都必须是阻燃达到FCC V-O级标准，同时要选用有足够支撑力的材料，一般都用敷铜箔环氧玻璃布层压板，双面板的厚度为1.5mm，四层板的厚度为1.6mm1.8mm为好，我们IT行业的主控板目前一般使用2层、4层及6层为多。2 印制板设计中的元器件布局当印制板外形尺寸决定后，首先应进入关键的元器件布局设计，它的设计好坏直接影响安全、电磁兼容等四大因素，往往新设计人员对此无一比较正确的规则，随自己意愿或某些想法来布局，结果带来许多不利因素，有时由于一、二根布线不当，造成无可挽回而告知失败的结果。下面推荐两种比较理想的PCB布局方式，然后总结其特点和布局规则。2.1
5、星形辐射法电源线，地线有可能通过电缆输入至印制板中央位置的类型。电缆插座CPUIC4IC3IC2晶体能实现电源模块电源线、地线输出在印制板中央位置的或中央附近位置的。电源部分CPUIC2IC4IC5IC3晶体该二模式可将重要器件：高频的晶体、晶振、时钟电路、CPU等放在中央紧靠电源、地线输出端位置，其它与它们有关的逻辑相关器件安排在上述器件的周围，然后再连接其它边缘器件，整个布局形成由中心向四周辐射状态。这种布局最大特点：压缩布局空间，中心至各引线距离基本相同，线路阻抗基本一致，关键主要电路布线最短，环流面积小。2.2 电源线、地线印制板插入联接法 此种形式相当普遍,其布局应在电源地线引入端近
6、处放置高速电路，重要电路，然后再布中速、低速电路。 有高速逻辑电路与模拟电路等并存的PCB板，其布局见下图。高速中速电路低速电路数字模拟A/D低速逻辑电路高速逻辑电路模拟电路 上述两种边端插入传输布局的特点也是高频信号回路面积小，电路分类，电路分区，共地干扰明显下降。共地干扰:当几块IC电路共用一根地线工作时，见图。IC3IC1IC2I2I1I3VccVoAB当IC1、IC2、IC3都工作时，B处地线上的工作电流应I1+I2+I3，IC1、IC2、IC3三块电路工作互相影响，产生了共地干扰，尤其是那种树干树枝状的地线布局是很差的一种，这是电磁辐射指标和可靠性指标下降的一个很重要原因。干线叉线支
7、线地线总线IC1IC2IC3总线干线枝线叉线等效 上图为串联地阻抗耦合，所有独立电路的地都通过串联连接，这对干扰嘈声来说是一种最不希望的共地系统。因为；V1=Z1(I1+I2+I3)V2=Z1(I1+I2+I3)+Z2(I2+I3)V3= Z1(I1+I2+I3)+Z2(I2+I3)+Z3I3公式表明串联共地其干拢和辐射是很大的。归纳上述两类布局方式特点：以电路特性分类，顺逻辑走向划区，压缩布局空间，明显减少了引线长度，缩小环流面积，降低了辐射，提高了抗干扰能力，为顺利布线创造了条件。 印制板布局中还应做好散热设计的要求，如大功率发热元器件，其周围不应布热敏元件，并做好散热处理。需要安装重量较
8、大的元器件时，应尽量安排固定支撑点，不能单靠元器件引脚支撑。印制板边缘至少空3mm间隙，不再布元器件（可在不会引起短路的情况下布线）来满足生产、安装、测试的要求。3 元器件的选择 从安全设计的要求出发，首先是载有危险电压的安全关键件的选用。如：220V电源插座、保险丝、电源模块等一定要用通过安全认证或3C认证（中国强制认证委员会）的元器件或部件。其它的安全特低电路的IC电路的选择一般选用方式：在价格功能合适的情况下，表面贴装的SMT器件优先与TTL双列直插器件，TTL器件优先于分离元器件。对于IC电路的功率和IC工作的速度（开关电路上升和下降时间）只要在能满足可靠性的前提下，反对IC功率越大越
9、好，开关速度越快越好的错误观点。因为任何事情都具有多面性，某一特性走到极端，随之将出现其它问题，如灵敏度与抗干扰性就是一对矛盾，必须兼容各设计指标，妥然解决问题。 电阻、电容、电感，一般也可选用SMT的、容量大的电容，可适情考虑应用其它形式器件。 元器件的选择要在满足功能的前题下；已提出了3个降低和缩小。3.1 降低IC电路开关速度，减小谐波分量V(orI)=2A(d+tr)/TV(orI)=0.64A/TfV(orI)=0.2A/Ttrf2-20dB/dec-40dB/decTTrdA谐波幅度(电压或电流)对数频率脉冲信号的频谱1/tr1/d 脉冲信号通过傅立叶级数变换，其频谱见图 图中竖线
10、均为每一频率点上的量值，其中与辐射强度有关，tr 与辐射频宽有关。而且这些谐波很容易借助各种导线和电缆产生辐射造成干拢，所以必须降低IC电路开关速度，减小谐波分量和谐波频宽。3.2 降低工作电流，减小功率3.3 缩小环流面积.03.04.1.2.3.4.5.6.71GHZ302010405060DB/uV分立元件辐射包络线双立直插件辐射包络线SMT辐射包络线 SMT器件环流面积最小最合适，且集成度高可靠性好，所以作为首选对象。下图用三种不同器件装配在同一种PCB板上测试结果 第三种SMT的辐射最低。小结：选用器件不主张功率越大越好，速度越快越好，而是推荐只要满足设计功能要求，采用兼容各指标的设
11、计，且能降低成本，又能完美达到设计目标，这种设计组合认为是最佳组合，当然各种不同类型、等级的机器就有不同的最佳组合。4 印制板层次设计及布线：输出ICCVCCIgVg电源线、地线噪声电压波形 印制板布线前要正确认识电源、地线干扰及辐射情况是十分重要的，当电源、地线在瞬态出现增加或减少电流时，由于有电感和电容的作用，在电源、地线上出现干扰状况见图。这是一个IC电路工作时的情况，当许多电路工作时，电源、地线上干扰与辐射是十分严重的。因此，复杂一些的PCB板建议用四层板，它的好处是顶面、背面都可布信号线，增加了布线空间，更主要的是有了一个低阻抗的地平面和电源平面，尤其是地平面，大大地缩小了所有IC电
12、路工作的环流面积及地线阻抗。 四层板原则上顶层为信号线层，第二层为直流地线层，第三层为直流电源层，第四层为信号线层。当印制板IC电路全部为开关电路或全部为模拟电路，那它们的地线不必隔离分开。有时，在直流电源层中往往有几种电源，一般都用空隙隔离方法来分割解决。当印制板中出现有逻辑电路又有模拟电路的情况，通过分析，可将逻辑电路地线与模拟电路地线分区隔离（隔离带宽度3mm）单处短接或用磁珠等方法联接取得同电位参照地。当印制板中的逻辑电路与模拟电路的联线有几十根，情况非常复杂，那必须掌握它们各自要有独立的电源、地线区，又要考虑到有联结关系的IC回路，其环流面积最小的原则去设计，并保证有极低阻抗的地线。
13、见例图开关电路部分模拟电路部分地线层信号连接线双层板地线设计成栅状围框形成，即在印制板一面布较多的平行地线，另一面为垂直地线，然后在它们交叉的地方用金属化过孔连接起来（过孔电阻要小）。例图所示为考虑到每个IC芯片近旁应设有地线，往往每隔11.5cm布一根地线，这样密集的地线使信号环路的面积更小，有利于降低辐射。该地网设计方法应在布信号线之前，否则实现比较困难。 信号线布线原则：双层板在元器件合理布局确定后，紧接着先设计地网电源线，再布重要线敏感线、高频线，后布一般线低频线。关键引线最好有独立的电源、，地线回路，引线且非常短，所以有时在关键线边上布一条地线紧靠信号线，让它形成最小的工作回路。四层板顶面、底面的布线原则同双层板的信号线，也是先布关键晶体、晶振电路，时钟电路，CPU等信号线，一定要遵守环流面积尽量小的原则。印制板IC电路工作时，前面多次提及环流面积，实际它的出处在差模辐射的概念。差模辐射的定义：电路工作电流在信号环路中流动，这个信号环路会产生电磁辐射，由于这种电流是差模的，因此信号环路产生的辐射称为差模辐射，其辐射场强的计算公式：11f2IA/r式中：E1差模 印制板电路空间处的辐射场强 f 印制板电路工作频率 A 印制板电路环流面积 I 印制板环流工作电流 印制板电路空间距离
