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EMI问题的PCB设计考虑及接地屏蔽滤波分享

PCB的设计在产品可靠性设计方面是非常重要的。对于PCB设计在EMI方面的问题考虑:设计工程师通常都非常注意PCB上信号走线的布线,但经常却没有考虑他们的返回路径。理解和解决EMI问题的关键是理解电流的流动。电流以环路的形式流动,因此,许多数字电路设计工程师容易忘了这个重要的事实。因为,大多数原理图的检查表明,一半的原理图都忘了地或信号和电源的返回系统。因此就容易忽略了所有的电源和信号的返回路径,这些信号的布线都是电路板布线人员一时的疏忽才会导致的显著EMI问题。

通过理解返回电流是如何返回其电源及如何确保返回路径为低阻抗,就可以很好地解决产品中的EMI问题。

首先,考虑高频电流是怎样流动的。在低频时,返回电流通常沿着电阻最小的路径流动。在高频时,返回电流通常沿着阻抗最小的路径流动。如下图所示。出现这种现象的原因是:在较高频率时,当信号或电源导线或PCB走线及与之相关的返回路径-另外一条导线或返回平面的物理尺寸最小时,其路径的自感最小。由于这种现象,产生的结果是信号或电源导线中的电流和返回电流通常会使流出电流和输入电流之间的物理空间最小。如果迫使返回路径形成了较大的环路面积,这种环路的作用类似于天线,将会产生辐射发射。

不同频率信号的返回电流路径示意图

当频率大于1MHz时,返回电流通常在信号PCB走线下方或者上方的信号返回平面上直接流动。这取决于信号PCB电路板的层结构。如果迫使返回路径距信号走线的下面有较长的路径,那么环路的物理尺寸将变得非常大,通常会产生环天线的辐射发射,同时也将产生共模电压源。这些电压源会在PCB的周围且通常沿着I/O电缆或电源电缆产生共模电流,这些电缆就会像单极子天线或偶极子天线一样产生辐射发射。

在实际的应用中,常常会发现电子工程师为其产品设计的PCB信号和电源返回平面上存在被疏忽的间隙和分割。这样就会带来更大的返回电流路径,如下图所示。

电流被PCB强行改变路径的示意图

返回电流被强行改变路径及所产生的环绕PCB的磁场。当迫使返回电流远离阻抗最小的优先路径时,会形成环天线,如上图所示。这就会在整个电路板附近产生磁场,这些磁场也能与其他PCB走线产生耦合,从而有效地形成小的电压源,电压源又在电路板附近产生共模电流。这些共模电流然后耦合给I/O电缆或电源电缆,他们会辐射基波信号的高频谐波。

返回平面的互感产生小的电压降ΔU=L·(di/dt),这种电压降会产生共模电流。信号电流环路和附近的另外一个电路环路之间的互感也将会产生电压差,这种电压差可在附近的电路中产生电流。

当进行PCB布线时,产生EMI的另外一个常见问题是改变参考平面层,没有为返回电流的信号PCB走线规定闭合的物理路径。比如,如果信号PCB走线在参考返回平面的顶部开始布线,穿过过孔,继续参考到这个相同的返回平面,这是没有问题的是可以接受的,如下图所示。

数字信号参考相同的参考面返回电流

如果出现这样的情况,一条PCB走线从PCB板子上的一层(参考到信号返回平面)开始,穿过过孔后到达另外一层(其使用不同的参考面)如下图所示。如果这两个参考平面(即信号返回的路径)的电位相同,且两层通过过孔多次连接在一起,那么规定的返回路径将具有小的环路面积。这是我们希望的设计。

信号穿过两层地线层及处理方法

信号在两层之间换层的处理方法示意图

在如上面的图示中,过孔的作用当数字信号参考到两个不同的平面时,在信号PCB走线的穿过点,如果两个平面的电位相同,则两个层之间应使用一个或多个过孔。如果两个平面的电位不同,那么应尽可能使用两个或多个缝合电容在信号的穿过点将这两个平面相连接,优先采用对称的方式。

然而,如果两个参考平面具有不同的电位;比如信号返回平面和电源平面,那么返回路径可能会规划设计的不好,从而形成了具有较大环路面积的绕行走线,这将会发生常常说到的走线跨分割或裂缝的问题。

为了更好地规划信号电流的返回路径,在信号PCB走线设计之初穿过第二个参考平面的地方需要放置附加的过孔。

如果电路足够复杂以至于可能有太多的参考平面变化,这时就可能需要采用更多层板的设计,以增加附加的信号或电源返回层。

注意:为了实现最佳的高频噪声抑制,电源返回“三明治”式的层间距要小-通常认为3~4mil是比较理想的。

通常情况下,电源和电源返回平面之间3~4mil的间距能够提供好的高频旁路。因此,去耦电容要均匀地放置在基板面的周围。然而,如果使用更传统的10mil间距,那么去耦电容必须从物理上尽可能近地放置在每一个IC的VCC管脚。

另外一种常见错误是布线时把数字或大功率的模拟信号PCB走线穿过电路中敏感的模拟电路部分。在布线时数字PCB走线穿过无噪声的模拟返回平面,数字开关噪声通常会干扰低电平的模拟信号。

注意:当改变参考平面两次,这就会迫使返回电流远离阻抗最小的路径,这是产生共模电流的最常见的原因。

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