3C認(rèn)證中的PCB設(shè)計(jì)

2003 年度信息技術(shù)及其應(yīng)用論文集 3C 認(rèn)證中的 PCB 設(shè)計(jì) 207 3C3C 認(rèn)證中的認(rèn)證中的 PCBPCB 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 江蘇國(guó)光信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司 李銀玉 摘摘 要 要 信息產(chǎn)品 3 認(rèn)證是國(guó)家強(qiáng)制性認(rèn)證 其整機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)符合國(guó)標(biāo) GB4943 信息技術(shù)設(shè)備的安 全 GB9254 信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測(cè)量放法 GB17618 信息技術(shù)設(shè)備抗攏 度限值測(cè)量方法 等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定 其中有耐壓 絕緣 阻燃 電磁輻射發(fā)射 電磁敏感度 等幾大方面二三十項(xiàng)技術(shù)要求 所以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)預(yù)先考慮 精心統(tǒng)籌設(shè)計(jì) 而 PCB 是整機(jī)元器件的支撐件 聯(lián)接件 又是能量核心所在地 所以 PCB 的 認(rèn)證設(shè)計(jì)是信息 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性設(shè)計(jì) 本文從安全性 電磁兼容性 可靠性 工藝性四方面出發(fā) 闡明 了相關(guān)應(yīng)用理論和強(qiáng)制規(guī)定 結(jié)合多年的工作實(shí)踐 提出了 PCB 設(shè)計(jì)過程中選材 布局 主要元器件的選擇及地線 電源線 信號(hào)線的布線規(guī)則 及其相關(guān)注意事項(xiàng) 以文字和圖 表形式 例舉了不同形式 不同線路組合的 PCB 設(shè)計(jì)優(yōu)秀方案及其主導(dǎo)設(shè)計(jì)思想 并分析 了不良設(shè)計(jì)的原因及克服方法 供有關(guān)設(shè)計(jì)人員參考應(yīng)用 關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞 絕緣 阻燃 爬電距離 危險(xiǎn)電壓 安全特低電壓 接地電阻 差模輻射 環(huán)流面積 共地阻抗 共模輻射 靜電 浪涌沖擊 PCB 設(shè)計(jì)是整機(jī) 3C 認(rèn)證設(shè)計(jì)的關(guān)鍵設(shè)計(jì) 其設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮到整機(jī)的安全性 可靠性 電磁 兼容性和工藝性諸多要素 根據(jù)目前 IT 行業(yè)整機(jī)產(chǎn)品越來越精密 越來越復(fù)雜的特點(diǎn) 要符合國(guó) 標(biāo) GB4943 GB9254 GB6833 GB17168 等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定 其中耐壓 絕緣 阻燃 電擊 電磁輻射發(fā) 射 電磁敏感度等幾大方面 二三十項(xiàng)技術(shù)要求 必須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)就預(yù)先考慮 精心統(tǒng)籌設(shè)計(jì) 才能做好 設(shè)計(jì)人員 工藝人員在設(shè)計(jì) 工藝方案中必須體現(xiàn)出來 才能較好地實(shí)現(xiàn) 3C 認(rèn)證設(shè)計(jì) PCB 是整機(jī)元器件的支撐件又是聯(lián)接件 能量核心所在 所以成為整個(gè) 3C 認(rèn)證設(shè)計(jì)的關(guān)鍵設(shè)計(jì) 新品設(shè)計(jì)時(shí) 在整機(jī)外形 結(jié)構(gòu)及充分考慮產(chǎn)品應(yīng)達(dá)到的功能情況下 統(tǒng)籌兼顧 確定印制 板的毛坯尺寸 這就劃定了 PCB 設(shè)計(jì)的舞臺(tái) 設(shè)計(jì)隨即可運(yùn)作開始 1 1 印制板使用的種類印制板使用的種類 PCB 目前尚有簡(jiǎn)單的電源板等是屬單面板 其它絕大部分是雙面板 四層板 六層板 八層板 不管其層次多少 都必須是阻燃達(dá)到 FCC V O 級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 同時(shí)要選用有足夠支撐力的材料 一般都用 敷銅箔環(huán)氧玻璃布層壓板 雙面板的厚度為 1 5mm 四層板的厚度為 1 6mm 1 8mm 為好 我們 IT 行業(yè)的主控板目前一般使用 2 層 4 層及 6 層為多 2 2 印制板設(shè)計(jì)中的元器件布局印制板設(shè)計(jì)中的元器件布局 當(dāng)印制板外形尺寸決定后 首先應(yīng)進(jìn)入關(guān)鍵的元器件布局設(shè)計(jì) 它的設(shè)計(jì)好壞直接影響安全 電磁兼容等四大因素 往往新設(shè)計(jì)人員對(duì)此無一比較正確的規(guī)則 隨自己意愿或某些想法來布局 結(jié)果帶來許多不利因素 有時(shí)由于一 二根布線不當(dāng) 造成無可挽回而告知失敗的結(jié)果 下面推薦 兩種比較理想的 PCB 布局方式 然后總結(jié)其特點(diǎn)和布局規(guī)則 2 12 1 星形輻射法星形輻射法 電源線 地線有可能通過電纜輸入至印制板中央位置的類型 2003 年度信息技術(shù)及其應(yīng)用論文集 3C 認(rèn)證中的 PCB 設(shè)計(jì) 208 能實(shí)現(xiàn)電源模塊電源線 地線輸出在印制板中央位置的或中央附近位置的 該二模式可將重要器件 高頻的晶體 晶振 時(shí)鐘電路 CPU 等放在中央緊靠電源 地 線輸出端位置 其它與它們有關(guān)的邏輯相關(guān)器件安排在上述器件的周圍 然后再連接其它邊緣器件 整個(gè)布局形成由中心向四周輻射狀態(tài) 這種布局最大特點(diǎn) 壓縮布局空間 中心至各引線距離基本相同 線路阻抗基本一致 關(guān)鍵主 要電路布線最短 環(huán)流面積小 2 22 2 電源線 地線印制板插入聯(lián)接法電源線 地線印制板插入聯(lián)接法 此種形式相當(dāng)普遍 其布局應(yīng)在電源地線引入端近處放置高速電路 重要電路 然后再布中速 低速電路 有高速邏輯電路與模擬電路等并存的 PCB 板 其布局見下圖 電纜插座 CPU IC4 IC3 IC2 晶體 電源部分 CPU IC2 IC4 IC5 IC3 晶體 高速 中速電路 低速電路 低速邏 輯電路 高速邏輯電 路 模 擬 電 路 數(shù) 字 模 擬 A D 2003 年度信息技術(shù)及其應(yīng)用論文集 3C 認(rèn)證中的 PCB 設(shè)計(jì) 209 上述兩種邊端插入傳輸布局的特點(diǎn)也是高頻信號(hào)回路面積小 電路分類 電路分區(qū) 共地干 擾明顯下降 共地干擾 當(dāng)幾塊 IC 電路共用一根地線工作時(shí) 見圖 當(dāng) IC1 IC2 IC3 都工作時(shí) B 處地線上的工作電流應(yīng) I1 I2 I3 IC1 IC2 IC3 三塊電路工 作互相影響 產(chǎn)生了共地干擾 尤其是那種樹干樹枝狀的地線布局是很差的一種 這是電磁輻射指 標(biāo)和可靠性指標(biāo)下降的一個(gè)很重要原因 上圖為串聯(lián)地阻抗耦合 所有獨(dú)立電路的地都通過串聯(lián)連接 這對(duì)干擾嘈聲來說是一種最不希 望的共地系統(tǒng) 因?yàn)?V1 Z1 I1 I2 I3 V2 Z1 I1 I2 I3 Z2 I2 I3 V3 Z1 I1 I2 I3 Z2 I2 I3 Z3I3 公式表明串聯(lián)共地其干攏和輻射是很大的 歸納上述兩類布局方式特點(diǎn) 以電路特性分類 順邏輯走向劃區(qū) 壓縮布局空間 明顯減少了引線長(zhǎng)度 縮小環(huán)流面積 降 低了輻射 提高了抗干擾能力 為順利布線創(chuàng)造了條件 印制板布局中還應(yīng)做好散熱設(shè)計(jì)的要求 如大功率發(fā)熱元器件 其周圍不應(yīng)布熱敏元件 并 做好散熱處理 需要安裝重量較大的元器件時(shí) 應(yīng)盡量安排固定支撐點(diǎn) 不能單靠元器件引腳支撐 印制板邊緣至少空 3mm 間隙 不再布元器件 可在不會(huì)引起短路的情況下布線 來滿足生產(chǎn) 安裝 測(cè)試的要求 IC3IC1IC2 I2 I1 I3 Vcc Vo A B 干線 叉線 支線 地 線 總 線 IC1 IC2 IC3 總 線 干線 枝線 叉線 等效等效 2003 年度信息技術(shù)及其應(yīng)用論文集 3C 認(rèn)證中的 PCB 設(shè)計(jì) 210 3 3 元器件的選擇元器件的選擇 從安全設(shè)計(jì)的要求出發(fā) 首先是載有危險(xiǎn)電壓的安全關(guān)鍵件的選用 如 220V 電源插座 保 險(xiǎn)絲 電源模塊等一定要用通過安全認(rèn)證或 3C 認(rèn)證 中國(guó)強(qiáng)制認(rèn)證委員會(huì) 的元器件或部件 其 它的安全特低電路的 IC 電路的選擇一般選用方式 在價(jià)格功能合適的情況下 表面貼裝的 SMT 器 件優(yōu)先與 TTL 雙列直插器件 TTL 器件優(yōu)先于分離元器件 對(duì)于 IC 電路的功率和 IC 工作的速度 開關(guān)電路上升和下降時(shí)間 只要在能滿足可靠性的前提 下 反對(duì) IC 功率越大越好 開關(guān)速度越快越好的錯(cuò)誤觀點(diǎn) 因?yàn)槿魏问虑槎季哂卸嗝嫘?某一特 性走到極端 隨之將出現(xiàn)其它問題 如靈敏度與抗干擾性就是一對(duì)矛盾 必須兼容各設(shè)計(jì)指標(biāo) 妥 然解決問題 電阻 電容 電感 一般也可選用 SMT 的 容量大的電容 可適情考慮應(yīng)用其它形式器件 元器件的選擇要在滿足功能的前題下 已提出了 3 個(gè)降低和縮小 3 13 1 降低降低 ICIC 電路開關(guān)速度 減小諧波分量電路開關(guān)速度 減小諧波分量 脈沖信號(hào)通過傅立葉級(jí)數(shù)變換 其頻譜見圖 圖中豎線均為每一頻率點(diǎn)上的量值 其中 與輻射強(qiáng)度有關(guān) tr 與輻射頻寬有關(guān) 而且這些 諧波很容易借助各種導(dǎo)線和電纜產(chǎn)生輻射造成干攏 所以必須降低 IC 電路開關(guān)速度 減小諧波分 量和諧波頻寬 3 23 2 降低工作電流 減小功率降低工作電流 減小功率 3 33 3 縮小環(huán)流面積縮小環(huán)流面積 SMT 器件環(huán)流面積最小最合適 且集成度高可靠性好 所以作為首選對(duì)象 下圖用三種不同 器件裝配在同一種 PCB 板上測(cè)試結(jié)果 V orI 2A d tr T V orI 0 64A Tf V orI 0 2A Ttrf2 20dB dec 40dB dec T Tr d A諧波幅度 電壓或電流 對(duì)數(shù) 頻率 脈沖信號(hào)的頻譜脈沖信號(hào)的頻譜 1 tr1 d 03 04 1 2 3 4 5 6 7 1GHZ 30 20 10 40 50 60 DB uV 分立元件輻射包絡(luò)線 雙立直插件輻射包絡(luò)線 SMT 輻射包絡(luò)線 2003 年度信息技術(shù)及其應(yīng)用論文集 3C 認(rèn)證中的 PCB 設(shè)計(jì) 211 第三種 SMT 的輻射最低 小結(jié) 選用器件不主張功率越大越好 速度越快越好 而是推薦只要滿足設(shè)計(jì)功能要求 采用 兼容各指標(biāo)的設(shè)計(jì) 且能降低成本 又能完美達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo) 這種設(shè)計(jì)組合認(rèn)為是最佳組合 當(dāng)然 各種不同類型 等級(jí)的機(jī)器就有不同的最佳組合 4 4 印制板層次設(shè)計(jì)及布線 印制板層次設(shè)計(jì)及布線 印制板布線前要正確認(rèn)識(shí)電源 地線干擾及輻射情況是十分重要的 當(dāng)電源 地線在瞬態(tài)出 現(xiàn)增加或減少電流時(shí) 由于有電感和電容的作用 在電源 地線上出現(xiàn)干擾狀況見圖 這是一個(gè) IC 電路工作時(shí)的情況 當(dāng)許多電路工作時(shí) 電源 地線上干擾與輻射是十分嚴(yán)重的 因此 復(fù)雜一些的 PCB 板建議用四層板 它的好處是頂面 背面都可布信號(hào)線 增加了布線空間 更主要的是有了一個(gè)低阻抗的地平面和電源平面 尤其是地平面 大大地縮小了所有 IC 電路工作 的環(huán)流面積及地線阻抗 四層板原則上頂層為信號(hào)線層 第二層為直流地線層 第三層為直流電源層 第四層為信號(hào) 線層 當(dāng)印制板 IC 電路全部為開關(guān)電路或全部為模擬電路 那它們的地線不必隔離分開 有時(shí) 在直流電源層中往往有幾種電源 一般都用空隙隔離方法來分割解決 當(dāng)印制板中出現(xiàn)有邏輯電路 又有模擬電路的情況 通過分析 可將邏輯電路地線與模擬電路地線分區(qū)隔離 隔離帶寬度 3mm 單處短接或用磁珠等方法聯(lián)接取得同電位參照地 當(dāng)印制板中的邏輯電路與模擬電路的聯(lián)線有幾十根 情況非常復(fù)雜 那必須掌握它們各自要有 獨(dú)立的電源 地線區(qū) 又要考慮到有聯(lián)結(jié)關(guān)系的 IC 回路 其環(huán)流面積最小的原則去設(shè)計(jì) 并保證 有極低阻抗的地線 見例圖 輸出輸出 ICC VCC Ig Vg 電源線 地線噪聲電壓波形電源線 地線噪聲電壓波形 開關(guān)電 路部分 模擬電 路部分 地線層 信號(hào)連接線 2003 年度信息技術(shù)及其應(yīng)用論文集 3C 認(rèn)證中的 PCB 設(shè)計(jì) 212 雙層板地線設(shè)計(jì)成柵狀圍框形成 即在印制板一面布較多的平行地線 另一面為垂直地線 然 后在它們交叉的地方用金屬化過孔連接起來 過孔電阻要小 例圖所示 為考慮到每個(gè) IC 芯片近旁應(yīng)設(shè)有地線 往往每隔 1 1 5cm 布一根地線 這樣密集的地線使信 號(hào)環(huán)路的面積更小 有利于降低輻射 該地網(wǎng)設(shè)計(jì)方法應(yīng)在布信號(hào)線之前 否則實(shí)現(xiàn)比較困難 信號(hào)線布線原則 雙層板在元器件合理布局確定后 緊接著先設(shè)計(jì)地網(wǎng)電源線 再布重要線 敏感線 高頻線 后布一般線 低頻線 關(guān)鍵引線最好有獨(dú)立的電源 地線回路 引線且非常短 所以有時(shí)在關(guān) 鍵線邊上布一條地線緊靠信號(hào)線 讓它形成最小的工作回路 四層板頂面 底面的布線原則同雙層板的信號(hào)線 也是先布關(guān)鍵晶體 晶振電路 時(shí)鐘電路 CPU 等信號(hào)線 一定要遵守環(huán)流面積盡量小的原則 印制板 IC 電路工作時(shí) 前面多次提及環(huán)流面積 實(shí)際它的出處在差模輻射的概念 差模輻射的定義 電路工作電流在信號(hào)環(huán)路中流動(dòng) 這個(gè)信號(hào)環(huán)路會(huì)產(chǎn)生電磁輻射 由于這種 電流是差模的 因此信號(hào)環(huán)路產(chǎn)生的輻射稱為差模輻射 其輻射場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算公式 1 1 f2 I A r 式中 E1 差模 印制板電路空間 處的輻射場(chǎng)強(qiáng) f 印制板電路工作頻率 A 印制板電路環(huán)流面積 I 印制板環(huán)流工作電流 印制板電路空間距離 K1 常數(shù) 由差模輻射公式可見 其輻射場(chǎng)強(qiáng)與工作頻率 f2 環(huán)流面積 A 工作電流 I 成正比 如當(dāng)工作 頻率 f 確定后 環(huán)流面積的大小是我們?cè)O(shè)計(jì)中可直接控制的關(guān)鍵因素 同時(shí)環(huán)流工作速度 電流只 要滿足可靠性 并非越大越好 信號(hào)上跳沿下跳沿越窄 它的諧波分量就越大 越寬 電磁輻射就 IC1 IC2 地線 A A 環(huán)流面積 2003 年度信息技術(shù)及其應(yīng)用論文集 3C 認(rèn)證中的 PCB 設(shè)計(jì) 213 越高 功率越大其電流必然就大 上述已指出過 這是我們不期望的 下面給出幾種邏輯電路能滿足輻射 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)允許的環(huán)流面積參考值 不同時(shí)鐘頻率允許環(huán)流面積 cm2 邏輯系 列 上升時(shí) 間 電流 4MHZ10MHZ30MHZ100MHZ 74HC6205045186 74LS65020187 22 4 74AC3 5805 52 20 750 25 74F3505 52 20 750 25 74AS1 410020 830 15 從表中可以看出 電路開關(guān)速度越快 則允許的面積越小 關(guān)鍵的聯(lián)線 如有可能其周圍均可用地線包圍之 另待布線完畢后 可用地線將所有空隙覆蓋 但必須注意這些覆蓋地線都要與大地層低阻抗的聯(lián)體短接 這樣能取得良好的效果 注意 有空 隙要求的應(yīng)滿足條件 如爬電距離等 布線寬度 正常的布線寬度一般為 地線 電源線 信號(hào)線 通常信號(hào)線寬為 0 2 0 3mm 其兩線間隙與 線寬成 1 1 的比例 根據(jù)布線工藝合理性的要求 布線應(yīng)照?qǐng)D示方法 糾正不正確的現(xiàn)象 應(yīng)避免的例圖中的直角走線 它可以等效為傳輸線上的容性負(fù)載 減緩了上升時(shí)間 同時(shí)其阻 抗不連續(xù)造成信號(hào)發(fā)射 再則直角尖端易產(chǎn)生電磁輻射干擾 其它大多數(shù)屬工藝性問題 在設(shè)計(jì)線路中如有驅(qū)動(dòng)端發(fā)送的兩個(gè)等值反相的差分信號(hào) 其布線可采用一對(duì)靠近的走線 盡 量保持同形態(tài) 等長(zhǎng)同阻抗 這樣能有效抑制電磁輻射 并具有抗干擾能力強(qiáng) 時(shí)序定位精確的優(yōu) 點(diǎn) 良好良好 應(yīng)避免應(yīng)避免 良好良好 應(yīng)避免應(yīng)避免 2003 年度信息技術(shù)及其應(yīng)用論文集 3C 認(rèn)證中的 PCB 設(shè)計(jì) 214 蛇行布線作用是增加阻抗 感抗 起到信號(hào)延時(shí)的作用 這種布線法對(duì)輻射減少是不利的 但 在一些特殊的場(chǎng)合下可以使用 如采用疊板 其引線比其它部位引過來的線要短 為延遲信號(hào)可以 使用蛇行線 局部小范圍內(nèi) 求得時(shí)序和阻抗匹配 對(duì)于布線整體概念來說 頂面導(dǎo)線與底面導(dǎo)線成垂直形態(tài) 即一面大多數(shù)豎線 另一面大多數(shù) 為橫線 對(duì)于數(shù)據(jù)及其它重要需平行走線的場(chǎng)合 如有可能最好每一條或兩條數(shù)據(jù)線之間夾一根同 寬的地線來提高抗干擾能力 重要線盡量減少用短路孔 或最多使用 1 2 個(gè)短路孔 對(duì)于安全性來說 如果不是安全特低電壓電路的導(dǎo)線 其布線間隔就應(yīng)嚴(yán)格控制 滿足其爬電 距離的要求 無特殊處理的印制板表面的電氣間隙 即是爬電距離 如危險(xiǎn)電壓中的 220V 引線 兩導(dǎo)體的爬電距離應(yīng)大于 3mm 50V 左右的兩導(dǎo)體的爬電距離應(yīng)大于 0 8 mm 一次電路與二次電路 部分一般大于 6mm 見圖 電源線包括直流電源線 布線的寬度應(yīng)根據(jù)該導(dǎo)線上的功率和升溫狀態(tài)計(jì)算決定 一般安全特 低電壓 如 5V 的電源線可按 1A 為 1 mm 寬印制板設(shè)計(jì) 如萬一線寬度不夠 可用導(dǎo)線表面銅鉑 鍍錫方法增加其導(dǎo)線截面積的方法解決 隨后 插座插針個(gè)數(shù)也得相應(yīng)計(jì)算匹配 不能使插針觸點(diǎn) 成為電流瓶頸口 一般一個(gè)插針 指一般正常插針 通過 5V 應(yīng) 1A 不能過大 焊盤的選用 焊盤選擇對(duì)印制板的可靠性直接有關(guān) 其應(yīng)選用有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)來保證器件的焊接 雙列直插式和 分立元器件焊盤尺寸應(yīng)與所裝配器件的引腳尺寸和承受壓力相匹配 實(shí)際證明也可用經(jīng)驗(yàn)推算 一 般器件的焊盤內(nèi)孔是 A 的話 其焊盤外徑一般為 2A 附近 引腳直徑為 B 的話 那焊盤的內(nèi) 孔直徑一般為 B 0 3mm 或 B 0 4mm 如空徑太大 焊接過程中會(huì)出現(xiàn)氣泡或缺焊 虛焊狀態(tài) 如內(nèi)徑太小 器件引腳會(huì)插不進(jìn)或比較困難 焊接時(shí)焊錫也不易浸潤(rùn)到對(duì)面 如要負(fù)重的散熱器焊盤 變壓器焊盤等可選用 淚滴型 方型盤 鎖眼型 等改進(jìn)型焊盤 加強(qiáng)銅箔附著力 見圖 在布線過程中 如出現(xiàn)過線孔太多或關(guān)鍵地方不允許有過孔的話 在多層板中可使用盲孔和埋 孔 以此提高布板密度減少層數(shù) 盲孔和埋孔最小鉆孔尺寸可在 0 3mm 左右 在粗線或平面銅箔上的焊盤可用十字盤 梅花盤 來解決散熱快易出現(xiàn)虛焊的問題 見圖 一次電路二次電路 6cm 淚滴盤淚滴盤方盤方盤鎖眼盤鎖眼盤 2003 年度信息技術(shù)及其應(yīng)用論文集 3C 認(rèn)證中的 PCB 設(shè)計(jì) 215 SMT 器件的布線方式 SMT 焊盤邊緣處 0 6mm 的地方才能有通孔 焊盤不允許印有字符和其它標(biāo)志 焊盤之間 焊盤與通孔之間 以及焊盤與大面積地線之間聯(lián)線 其寬度一般 焊盤寬度的 0 5 如用阻焊膜加 以隔開的 其寬度可以等于焊盤寬度 凡高密度的器件 SOIC QFP 等引腳焊盤之間的短接處不允許直通 應(yīng)由焊盤加引出線之后 再短接 同時(shí)應(yīng)盡量避免在其焊盤之間穿越其它聯(lián)線 SMT 的焊盤不能兼作檢測(cè)點(diǎn) 柱狀表面貼裝元件 MELF 的焊盤設(shè)計(jì) 見圖 5 5 濾波電容 儲(chǔ)能電容 解耦電容 的設(shè)計(jì)濾波電容 儲(chǔ)能電容 解耦電容 的設(shè)計(jì) 當(dāng)外來電源或系統(tǒng)電源送入印制板時(shí) 該輸入端應(yīng)有高低頻電容進(jìn)行濾波 保證輸入電流的干 擾電位低于標(biāo)準(zhǔn)水平以下 而每一個(gè) IC 芯片附近都應(yīng)設(shè)計(jì)儲(chǔ)能電容 見圖 該電容在 IC 芯片工作過程中能提供電能 避免 IC 芯片電源 地線上出現(xiàn)突跳干擾 減小了感 應(yīng)發(fā)出的燥聲電壓 大規(guī)模集成電路有多個(gè)電源和地線引腳 設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)多加幾個(gè)儲(chǔ)能電容 關(guān)于儲(chǔ)能電容器的容量 經(jīng)實(shí)驗(yàn) 一般 14 和 16 腳的芯片選用 0 01uf 大規(guī)模集成的芯片可 為 0 1uf 在時(shí)鐘振蕩電路的電源上串接一只小電感 磁珠 也同樣能起到抑制電源跳變的作用 磁環(huán) 磁珠為鐵氧體等效扼流圈 串聯(lián)在線路中有抑制干擾的能力 能量變換 使用時(shí)要根據(jù) 抑制干擾的頻率來選擇不同磁導(dǎo)率的鐵氧體材料 鐵氧體磁導(dǎo)率越高 低頻的阻抗越大 而高頻的 阻抗越小 鐵氧體磁導(dǎo)率越低 高頻的阻抗越大 而低頻的阻抗越小 見表 十字盤銅箔 TD C d L A B A Lmax 2tmax 0 254 B dmax Tmin 0 254 C dmax 0 254 D B 2B A Lmax 2 IC 儲(chǔ)能電容 2003 年度信息技術(shù)及其應(yīng)用論文集 3C 認(rèn)證中的 PCB 設(shè)計(jì) 216 磁導(dǎo)率最佳抑制頻范圍 125 200MHz 85030MHz 200MHz 250010MHz 30MHz 5000 10MHz 具體使用時(shí) 磁環(huán)磁珠應(yīng)裝在干擾源發(fā)生端 磁珠最常見使用在晶體 振蕩器的輸出端 同時(shí) 在晶振輸出端設(shè)計(jì)一只接地的高頻旁路電容 具體值可在 2 47PF 挑選 用來調(diào)節(jié)輻射諧波分量 有時(shí)在 I O 口為了抗干擾 也有用磁珠的例子 磁環(huán)一般使用在電纜線上抑制輻射干擾 6 6 印制板共模輻射抑制印制板共模輻射抑制 印制板輻射主要產(chǎn)生于兩個(gè)源 一個(gè)是由各芯片組成的回路輻射 即前面已提過的差模輻射 另一個(gè)就是印制板的各種電纜線 工作時(shí)產(chǎn)生的共模輻射 見圖 共模輻射 當(dāng)傳輸信號(hào)的導(dǎo)體的電位與鄰近導(dǎo)體的電位不同時(shí) 特別是電纜與地線及其他導(dǎo) 體之間 在兩者之間就會(huì)產(chǎn)生電流 即使兩者之間沒有任何導(dǎo)體連接 高頻電流也會(huì)通過寄生電容 流動(dòng) 這種電流稱為共模電流 由這種共模電流產(chǎn)生的輻射稱之為共模輻射 在電氣產(chǎn)品中 一般都存在電纜 如 電源電纜 轉(zhuǎn)接 I O 及其它聯(lián)線等 由于共模電壓都是設(shè)計(jì)意圖之外的 因此共模輻射比差模輻射更難預(yù)測(cè)和抑制 由于共模輻射的提出 傳統(tǒng)的地線概念要擴(kuò)展 廣義的地線定義是 信號(hào)電流流回信號(hào)源的低阻抗途經(jīng) 包括有形和無形的地線 有些電子干擾 輻射是不可予先知道的 無形地線上發(fā)出的干擾 輻射往往很關(guān)鍵 但很多設(shè) 計(jì)人員不了解此類問題 共模輻射的計(jì)算公式 2 K2 I L f R 2 共模輻射場(chǎng)強(qiáng) I 共模電流 L 電纜長(zhǎng)度 f 工作頻率 R 觀測(cè)點(diǎn)到電纜的距離 K2 常數(shù) 通過共模輻射的方式可看出 哪些參數(shù)可以減小電纜上的共模輻射 電纜長(zhǎng)度的控制 IC1 IC2 I 差模輻射 共模輻射 電纜線 2003 年度信息技術(shù)及其應(yīng)用論文集 3C 認(rèn)證中的 PCB 設(shè)計(jì) 217 在滿足使用要求的前提下盡量縮短電纜的長(zhǎng)度 在輻射概念上看電纜都是一個(gè)個(gè)單極天線 減小共模電流 增加共模電流電路的阻抗 可以減少共模電流 使用共模扼流圈就是達(dá)到這個(gè)目的的方法 減少共模電壓 當(dāng)共模回路阻抗一定時(shí) 減少共模電壓就可以減少共模電流 一般可通過在線 路板的 I O 接口部份設(shè)置干凈地 對(duì)機(jī)箱內(nèi)的 I O 電纜屏蔽 使機(jī)箱內(nèi)的 I O 電纜長(zhǎng)度盡量短等方 法 可以減小共模電壓 濾波可以通過使用共模低通濾波器來濾掉不必要的高頻共模電流 屏蔽電纜使用注意事項(xiàng) 屏蔽電纜是抑制共模輻射十分有效的方法 但要注意電纜屏蔽層的端 接方法和端接位置 端接的不好可能會(huì)增加電纜的輻射 7 7 保護(hù)地和邏輯地聯(lián)接方式保護(hù)地和邏輯地聯(lián)接方式 保護(hù)地和邏輯地的關(guān)系很值得研究 尤其是 1 類設(shè)備其保護(hù)地線要求接地電阻非常低 0 1 在 12V 25A 情況下 印制板 I O 接口的外殼全部都接保護(hù)地 一旦 1 類設(shè)備的危險(xiǎn)電壓擊穿基本 絕緣時(shí) 危險(xiǎn)電壓馬上會(huì)與保護(hù)地形成回路 產(chǎn)生大電流燒斷保險(xiǎn)絲 而起到安全保護(hù)作用 所以 電源線的黃綠雙色保護(hù)地線短接在金屬殼體或印制板上時(shí) 一定要十分牢固 接觸電阻非常小并做 好標(biāo)注符號(hào) 另外保護(hù)地與邏輯地的關(guān)系處理要得當(dāng) 保護(hù)地線是一條泄放靜電電擊和干擾信號(hào)的 良好渠道 只有極少的情況下 保護(hù)地線上出現(xiàn)強(qiáng)大干擾信號(hào) 才會(huì)反串到邏輯地線上 正因?yàn)檫@ 一辯證的關(guān)系 我們?cè)O(shè)計(jì)保護(hù)地與邏輯地的原則是即要連接 又有通道限制 具體方法 7 17 1 用隔離變壓器或光耦合器來連接 這時(shí) I O 區(qū)域與主電路完全隔離 他們之間的連接僅可能 通 過金屬機(jī)殼 如有金屬機(jī)殼一定要利用 設(shè)計(jì)時(shí)將保護(hù)地邏輯地各自固定連接在金屬機(jī)殼上 由 于任何隔離都有寄生電容 因此將共模扼流圈與隔離變壓器結(jié)合起來使用 可以獲得更好的共模抑 制效果 同時(shí)可在主電路板與保護(hù)地區(qū)域留有端接焊盤 可根據(jù)聯(lián)網(wǎng)具體情況在端接處焊接磁珠 電容或直接聯(lián)線 見圖 7 27 2 另一種方法 I O 區(qū)域的干凈保護(hù)地與主電路板之間通過 地橋 連接聯(lián)線 電源線數(shù)據(jù)線通 常要加濾波器后方能輸出 橋的兩端應(yīng)與金屬機(jī)殼或大的金屬板搭接起來 這樣不僅能減少共模 電壓 還能提高對(duì)靜電和浪涌沖擊等抗干擾的能力 見圖 IC IC 隔離區(qū) 跨接點(diǎn) I O 接口 干凈保護(hù)地區(qū)域 隔離變壓器主電路板 IC IC 信號(hào)線 隔