高速DSP系統(tǒng)的電路板級電磁兼容性設(shè)計

1、高速DSP系統(tǒng)的電路板級電磁兼容性設(shè)計 ( 2010/9/30 14:05 1 2 下一頁0 引言印制線路板(PCB提供電路元件和器件之間的電氣連接，是各種電子設(shè)備最基本的組成部分，它的性能直接關(guān)系到電子設(shè)備質(zhì)量的好壞。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種電子產(chǎn)品經(jīng)常在一起工作，它們之間的干擾越來越嚴(yán)重，所以電磁兼容問題成為一個電子系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。同樣，隨著PCB的密度越來越高，PCB設(shè)計的好壞對電路的干擾及抗干擾能力影響很大。要使電子電路獲得最佳性能，除了元器件的選擇和電路設(shè)計之外，良好的PCB布線在電磁兼容性中也是一個非常重要的因素。隨著高速DSP技術(shù)的廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的高速

2、DSP的PCB設(shè)計就顯得十分重要。由于DSP是一個相當(dāng)復(fù)雜、種類繁多并有許多分系統(tǒng)的數(shù)、?；旌舷到y(tǒng)，所以來自外部的電磁輻射以及內(nèi)部元器件之間、分系統(tǒng)之間和各傳輸通道間的串?dāng)_對DSP及其數(shù)據(jù)信息所產(chǎn)生的干擾，已嚴(yán)重地威脅著其工作的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。據(jù)統(tǒng)計，干擾引起的DSP事故占其總事故的90左右。因此設(shè)計一個穩(wěn)定、可靠的DSP系統(tǒng)，電磁兼容和抗干擾至關(guān)重要。1 DSP的電磁干擾環(huán)境電磁干擾的基本模型由電磁干擾源、耦合路徑和接收機3部分組成，如圖1所示。電磁干擾源包含微處理器、微控制器、靜電放電、瞬時功率執(zhí)行元件等。隨著大量高速半導(dǎo)體器件的應(yīng)用，其邊沿跳變速率非?？?，這種電路可以產(chǎn)生高達(dá)30

3、0 MHz的諧波干擾。耦合路徑可以分為空間輻射電磁波和導(dǎo)線傳導(dǎo)的電壓與電流。噪聲被耦合到電路中的最簡單方式是通過導(dǎo)體的傳遞，例如，有一條導(dǎo)線在一個有噪聲的環(huán)境中經(jīng)過，這條導(dǎo)線通過感應(yīng)接收這個噪聲并且將其傳遞到電路的其他部分，所有的電子電路都可以接收傳送的電磁干擾。例如，在數(shù)字電路中，臨界信號最容易受到電磁干擾的影響；模擬的低級放大器、控制電路和電源調(diào)整電路也容易受到噪聲的影響。2 DSP電路板的布線和設(shè)計良好的電路板布線在電磁兼容性中是一個非常重要的因素，一個拙劣的電路板布線和設(shè)計會產(chǎn)生很多電磁兼容問題，即使加上濾波器和其他元器件也不能解決這些問題。正確的電路布線和設(shè)計應(yīng)該達(dá)到如下3點要求：(

4、1電路板上的各部分電路之間存在干擾，電路仍能正常工作；(2電路板對外的傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射盡可能低，達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；(3外部的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾對電路板上的電路沒有影響。21 元器件的布置(1元器件布置的首要問題是對元器件進(jìn)行分組。元器件的分組原則有：按電壓不同分；按數(shù)字電路和模擬電路分；按高速和低速信號分和按電流大小分。一般情況下都按照電壓不同分或按數(shù)字電路與模擬電路分。(2所有的連接器都放在電路板的一側(cè)，盡量避免從兩側(cè)引出電纜。(3避免讓高速信號線靠近連接器。(4在元器件安排時應(yīng)考慮盡可能縮短高速信號線，如時鐘線、數(shù)據(jù)線和地址線等。22 地線和電源線的布置地線布置的最終目的是為了最小化接地

5、阻抗，以此減小從電路返回到電源之間的接地回路電勢，即減小電路從源端到目的端線路和地層形成的環(huán)路面積。通常增加環(huán)路面積是由于地層隔縫引起的。如果地層上有縫隙，高速信號線的回流線就被迫要繞過隔縫，從而增大了高頻環(huán)路的面積，如圖2所示。圖2中高速線與芯片之間進(jìn)行信號傳輸。圖2(a中沒有地層隔縫，根據(jù)“電流總是走阻抗最小的途徑”，此時環(huán)路面積最小。圖2(b中，有地層隔縫，此時地環(huán)路面積增大，這樣就產(chǎn)生如下后果：(1增大向空間的輻射干擾，同時易受空間磁場的影響；(2加大與板上其他電路產(chǎn)生磁場耦合的可能性；(3由于環(huán)路電感加大，通過高速線輸出的信號容易產(chǎn)生振蕩；(4環(huán)路電感上的高頻壓降構(gòu)成共模輻射源，并通

6、過外接電纜產(chǎn)生共模輻射。通常地層上的隔縫不是在分地時、有意識地加上的，有時隔縫是因為板上的過孔過于接近而產(chǎn)生的，因此在PCB設(shè)計中應(yīng)盡量避免該種情況發(fā)生。電源線的布置要和地線結(jié)合起來考慮，以便構(gòu)成特性阻抗盡可能小的供電線路。為了減小供電用線的特性阻抗，電源線和地線應(yīng)該盡可能的粗，并且相互靠近，使供電回路面積減到最小，而且不同的供電環(huán)路不要相互重疊。在集成芯片的電源腳和地腳之間要加高頻去耦電容，容量為00101F，而且為了進(jìn)一步提高電源的去耦濾波的低頻特性，在電源引入端要加上1個高頻去耦電容和1個110F的低頻濾波電容。在多層電路板中，電源層和地層要放置在相鄰的層中，從而在整個電路板上產(chǎn)生一個大

7、的PCB電容消除噪聲。速度最快的關(guān)鍵信號和集成芯片應(yīng)當(dāng)布放在臨近地層一邊，非關(guān)鍵信號則布放在靠近電源層一邊。因為地層本身就是用來吸收和消除噪聲的，其本身幾乎是沒有噪聲的。23 信號線的布置不相容的信號線之間能產(chǎn)生耦合干擾，所以在信號線的布置上要把它們隔離，隔離時采取的措施有：(1不相容信號線應(yīng)相互遠(yuǎn)離，不要平行，分布在不同層上的信號線走向應(yīng)相互垂直，這樣可以減少線間的電場和磁場耦合干擾；(2高速信號線特別是時鐘線要盡可能的短，必要時可在高速信號線兩邊加隔離地線；(3信號線的布置最好根據(jù)信號流向順序安排，一個電路的輸入信號線不要再折回輸入信號線區(qū)域，因為輸入線與輸出線通常是不相容的。當(dāng)高速數(shù)字信

8、號的傳輸延時時間Td>Tr(Tr為信號的脈沖上升時間時，應(yīng)考慮阻抗匹配問題。因為錯誤的終端阻抗匹配將會引起信號反饋和阻尼振蕩。通常線路終端阻抗匹配的方法有串聯(lián)源端接法、并聯(lián)端接法、RC端接法、Thevenin端接法4種。(1串聯(lián)源端接法圖3為串聯(lián)源端接電路。源端阻抗Zs和分布在傳輸線上的阻抗Zo之間，加上源端接電阻Rs，用來完成阻抗匹配，Rs還能吸收負(fù)載的反饋。這里的Rs必須離源端盡可能的近，理論上應(yīng)為Rs=Zo-Zs中的實數(shù)值。一般Rs取1575。(2并聯(lián)端接法圖4為并聯(lián)端接電路。附加1個并聯(lián)端電阻Rp，這樣Rp與ZL并聯(lián)后就與Zo相匹配。這個方法需要源驅(qū)動電路來驅(qū)動一個較高的電流，能

9、耗很高，所以在功耗小的系統(tǒng)中不適用。(3RC端接法圖5為RC端接電路。該方法類似于并聯(lián)端接電路，但引入了電容C1，此時R用于提供匹配Zo的阻抗。C1為R提供驅(qū)動電流并過濾掉從傳輸線到地的射頻能量。因此與并聯(lián)端接方法相比，RC端接電路需要的源驅(qū)動電流更少。R和C1的值由Zo，Tpd(環(huán)路傳輸延遲和終端負(fù)載電容值Cd決定。時間為常數(shù)，RC=3Tpd，其中RZL=Zo，C=C1Cd。(4Thevenin端接法圖6為Thevenin端接電路。該電路由上拉電阻R1和下拉電阻R2組成，這樣就使邏輯高和邏輯低與目標(biāo)負(fù)載相符。其中，R1和R2的值由R1R2=Zo決定，R1+R2+ZL的值要保證最大電流不能超過驅(qū)動電路容量。3 結(jié)語本文通過對電子產(chǎn)品電磁環(huán)境的分析，確定高速DSP系統(tǒng)中產(chǎn)生干擾的