信號(hào)的環(huán)路高手技巧

1、PCB 信號(hào)的環(huán)路高手技巧PCB 設(shè)計(jì)指南1. 靜電放電之前靜電場(chǎng)的效應(yīng)2. 放電產(chǎn)生的電荷注入效應(yīng)3. 靜電放電電生的場(chǎng)效應(yīng)盡管印刷線路板（PWB，通常也稱之為 PCB）的設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)上述三種效應(yīng)都產(chǎn)生影響，但是主要是對(duì)第三種效應(yīng)產(chǎn)生影響。下面的討論將第三條所述的問(wèn)題給出設(shè)計(jì)指南。通常，源與接收電路之間的場(chǎng)耦合可以通過(guò)下列方式之一減?。ㄟ@些通用方法也會(huì)在其它討論場(chǎng)的章節(jié)中提到）：1. 在源端使用濾波器以衰減信號(hào)2. 在接收端使用濾波器以衰減信號(hào)3. 增加距離以減小耦合4. 降低源和/或接收電路的天線效果以減小耦合5. 將接收天線與發(fā)射天線垂直放置以減小耦合6. 在接收天線與發(fā)射天線之間加7. 減

2、小發(fā)射及接收天線的阻抗來(lái)減小電場(chǎng)耦合8. 增加發(fā)射或接收天線之一的阻抗來(lái)減小磁場(chǎng)耦合9. 采用一致的、低阻抗參考平面（如同多層 PCB 板所提供的）耦合信號(hào)，使它們保持共模方式在具體設(shè)計(jì)中，如電場(chǎng)或磁場(chǎng)占主導(dǎo)地位，應(yīng)用方法 7 和 8 就可以解決。然而，靜電放電一般同時(shí)產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)，這說(shuō)明方法 7 將電場(chǎng)的抗擾度，但同時(shí)會(huì)使磁場(chǎng)的抗擾度降低。方法 8 則與方法 7 帶來(lái)的效果相反。所以，方法 7 和 8 并不是完善的解決方案。不管是電場(chǎng)還是磁場(chǎng)，使用方法 1 6 與 9都會(huì)取得一定的效果，但 PCB 設(shè)計(jì)的解決方法主要取決于方法 3 6 和 9 的綜合使用。下面詳細(xì)闡述通過(guò)方法 3 6 和

3、9 解決問(wèn)題的六條實(shí)踐法則及其所在。一、保持環(huán)路面積最小任意一個(gè)電路回路中有變化的磁通量穿過(guò)時(shí)，將會(huì)在環(huán)路內(nèi)感應(yīng)出電流。電流的大小與磁通量成正比。較小的環(huán)路中通過(guò)的磁通量也較少，因此感應(yīng)出的電流也較小，這就說(shuō)明環(huán)路面積必須最小。應(yīng)用這一經(jīng)驗(yàn)的之處是如何找到環(huán)路。每個(gè)人都知道圖 16 中所示的環(huán)路，但要正確識(shí)別圖 17 中所示的環(huán)路則比較。圖 16 簡(jiǎn)單的 PCB 回路第 1 頁(yè)共 9 頁(yè)2007-1-31陳家能PCB信號(hào)的環(huán)路高手技巧圖 17 電源線與地線的 PCB 回路與其試著去找出所有可能的環(huán)路，還不如采取下列步驟來(lái)減小環(huán)路面積：A、 電源線與地線應(yīng)緊靠在一起以減小電源和地間的環(huán)路面積。圖

4、 18 示例說(shuō)明了電源線與地線同集成電路連接的幾種不同方法。圖 18 電源與地形成的環(huán)路面積的減小B、多條電源及地線應(yīng)連接成網(wǎng)格狀。圖 19 和圖 20 說(shuō)明了這一點(diǎn)：在這個(gè)典型的 PCB 設(shè)計(jì)中，PCB 的一面布垂直線，而另一面則布水平線（此圖中僅畫(huà)出地線）。如圖 19 所示，這個(gè)典型的地線結(jié)構(gòu)會(huì)使環(huán)路面積很大，可以在雙面板上添加一些連接線以減小環(huán)路面積，如圖 20 所示。網(wǎng)格的環(huán)路面積小得多，這將使感應(yīng)電流很低，出現(xiàn)問(wèn)題的可能性也較小。插在底板（或母板）PCB 上的 PCB 板，應(yīng)該有多個(gè)地線和電源線節(jié)點(diǎn)，且在連接器長(zhǎng)度方向上均勻布置。第 2 頁(yè)共 9 頁(yè)2007-1-31陳家能PCB信號(hào)

5、的環(huán)路高手技巧這將有利于減小整個(gè)系統(tǒng)的環(huán)路面積。圖 19 典型的 PCB 地線結(jié)構(gòu)第 3 頁(yè)共 9 頁(yè)2007-1-31陳家能PCB 信號(hào)的環(huán)路高手技巧圖 20 地線網(wǎng)格上述步驟A 和B 既可減小電源與地之間的環(huán)路面積，同時(shí)也可減小環(huán)路天線的效能，下面講的步驟 C和D 將降低天線及信號(hào)線的效率。C、 并聯(lián)的導(dǎo)線必須緊緊地放在一起，最好僅使用一條粗導(dǎo)線。圖 21 表明了這一原則。這就是說(shuō)， 地平面不應(yīng)有大的開(kāi)口，因?yàn)檫@些開(kāi)口如同平行導(dǎo)線一般，其作用等同于環(huán)路天線。圖 21 縮短平行路徑D、 信號(hào)線應(yīng)與地線應(yīng)緊挨著放在一起。在每根信號(hào)線的旁邊安排一條地線。不過(guò)，這也許會(huì)產(chǎn)生很多平行地線。為了避免這

6、個(gè)問(wèn)題，如前所述，可采用地平面或地線網(wǎng)格，而不采用單條地線。一個(gè)例子如圖 22 所示。在這里，假設(shè)由于某種信號(hào)線不能移動(dòng)。第 4 頁(yè)共 9 頁(yè)2007-1-31陳家能PCB信號(hào)的環(huán)路高手技巧圖 22 信號(hào)線與地線緊挨著布線線面，如圖 23 所示。實(shí)際上，將空余 PCB 部分填以地線面是個(gè)好可在與信號(hào)線相對(duì)的一面上布辦法 。第 5 頁(yè)共 9 頁(yè)2007-1-31陳家能PCB 信號(hào)的環(huán)路高手技巧圖 23 信號(hào)線與地線或地平面的分層布線E、 特別敏感的器件之間的較長(zhǎng)的電源線或信號(hào)線應(yīng)每隔一定間隔與地線的位置對(duì)調(diào)一下。對(duì)調(diào)的含義是將一根導(dǎo)線從上移到下面，或從左邊移到右邊，另一根導(dǎo)線則做相反的調(diào)整。圖

7、24 表明了這種方法與減小環(huán)路面積的等同效果：對(duì)調(diào)有關(guān)導(dǎo)線后，只有較小的環(huán)路存在。F、 在電源線與地線間安裝高頻旁路電容。因?yàn)樵陟o電放電較低的頻率段，旁路電容的阻抗較低，在這些頻率處，旁路電容能有效減小電源與地間的環(huán)路面積。然而，在靜電放電較高的頻率段，由于寄生電感的影響，即使是高頻電容，其作用也很有限。當(dāng)然，電源線與地線彼此靠得越近，濾波電容的效果就越不明顯。因?yàn)榄h(huán)路面積已經(jīng)足夠小了。圖 25和 26 說(shuō)明了這種效果。即使在每個(gè)元件旁邊都安裝旁路電容器，圖 25 中的電路仍有很大的環(huán)路面積。 相關(guān)貼圖 圖 25 安裝旁路電容器的大環(huán)路面積 相關(guān)貼圖 第 6 頁(yè)共 9 頁(yè)2007-1-31陳家

8、能PCB 信號(hào)的環(huán)路高手技巧圖 26 安裝旁路電容的小環(huán)路面積圖 26 中所示的電路，由于將電源線與地線緊挨著放在一起布置，使得環(huán)路面積大大減小。然而，即使將電源線與地線并列分布，較長(zhǎng)的導(dǎo)線仍會(huì)導(dǎo)致較大的環(huán)路面積。二、使導(dǎo)線長(zhǎng)度盡量短天線要具有較高的效率，其長(zhǎng)度必須是波長(zhǎng)很大的一部分。這就是說(shuō)，較長(zhǎng)的導(dǎo)線將有利于接收靜電放電脈沖產(chǎn)生的的頻率成份；而較短的導(dǎo)線只能接收較少的頻率成分。因此，短導(dǎo)線從靜電放電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中接收并饋入電路的能量較少。使導(dǎo)線盡可能短是一個(gè)比是環(huán)路面積盡量小更容易實(shí)現(xiàn)的措施。因?yàn)樗幌笮盘?hào)環(huán)路那樣不容易識(shí)別， 環(huán)路面積的盡可能小不可能立即看到，而導(dǎo)線的長(zhǎng)短則是很顯然的。有

9、關(guān)設(shè)計(jì)步驟如下：a) 使所有元件緊靠在一起，PCB 設(shè)計(jì)不應(yīng)將元件過(guò)于分散而占用的面積；b) 在相關(guān)的元件組，相互之間具有很多互連線的元件應(yīng)彼此靠得很近。例如，I/O 器件是與 I/O 連接器盡量靠得近些；c)可能的話，從線路板的中心饋送電源或信號(hào)，而不要從線路板邊緣饋送，如圖 27 所示，中間的饋送信號(hào)使大多數(shù)元件的連線最短。當(dāng)線路板為正方形時(shí)，這樣做的效果最明顯，當(dāng)線路板狹長(zhǎng)時(shí)，效果則不很明顯。但只要可能，還是應(yīng)該盡量這樣做。前面提出的 PCB 設(shè)計(jì)規(guī)則主要靜電放電電生的場(chǎng)效應(yīng)。但值得注意的是，前面介紹的降低天線效率的方法，這也有助于防止共模噪聲轉(zhuǎn)化成會(huì)帶來(lái)更煩的差模噪聲，這在本章開(kāi)始列出

10、的一般性方法的第 9 條中已提及過(guò)。之所以有這樣的效果，是因?yàn)榍笆龅母鞣N步驟都有助于減小各種 PCB 回路的阻抗差異。例如，規(guī)則一中的步驟D 特別有用，因?yàn)檫@樣處理會(huì)使信號(hào)線與相關(guān)地線的回路阻抗幾乎相等。因此，串入到這兩條路徑中的共模噪聲在幅度上也很接近，產(chǎn)生的差模噪聲極小。另外，PCB 設(shè)計(jì)也能采取措施減小由于靜電場(chǎng)和電荷注入所帶來(lái)的問(wèn)題。下面講述的規(guī)則就與這個(gè)問(wèn)題有關(guān)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)規(guī)則與前述規(guī)則相同。三、盡可能在 PCB 上使用完整的地線面（建議采用多層板）前面已提到過(guò)，地線面有助于減小環(huán)路面積，同時(shí)也降低了接收天線的效率。地線面作為一個(gè)重要的電荷源，可抵消靜電放電源上的電荷，這有利于減

11、小靜電場(chǎng)帶來(lái)的問(wèn)題。PCB 地線面也可作為其對(duì)面信號(hào)體（當(dāng)然，地線面的開(kāi)口越大，其效能就越低）。另外，如果發(fā)生放電，由于 PCB 板的地平線的面很大，電荷很容易注入到地線面中，而不是進(jìn)入到信號(hào)線中。這樣將有利于對(duì)元件進(jìn)行保護(hù)，因?yàn)樵谝鹪p壞前，電荷可以泄放掉。（然而，即使泄放到地的電荷也可能損壞器件，應(yīng)采取措施加以避免）四、加強(qiáng)電源線和地線之間的電容耦合電源線與地線間的耦合通過(guò)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這在前面已經(jīng)提到過(guò)。A、 使電源線與地線靠得很近，或采用多層 PCB 板。這將在電源線和地線間產(chǎn)生的寄生電容。B、在電源線與地線之間接入高頻旁路電容（電容組合方式可適用于靜電放電頻率較低和較高的場(chǎng)合）

12、。電源線與地線間的耦合將有助于減小電荷注入問(wèn)題。兩個(gè)物體之間由各個(gè)物體上電荷量的差異造成的電壓取決于兩者（V=Q/C）間的電容。如果 X 庫(kù)侖的電荷注入到電源線中，就會(huì)在電源線和地線間產(chǎn)生 Y 伏的電壓。如果電源線與地線間的電容增加一倍，X 庫(kù)侖的電荷將僅僅產(chǎn)生 Y/2 伏的電壓。當(dāng)然，這個(gè)較小的電壓造成損壞的可能性也相應(yīng)減小。第 7 頁(yè)共 9 頁(yè)2007-1-31陳家能PCB 信號(hào)的環(huán)路高手技巧五、電子元件與靜電放電電荷源在靜電放電效應(yīng)的討論中，曾指出注入到電子儀器中的電荷可通過(guò)來(lái)解決。對(duì)于 PCB 設(shè)計(jì)，這主要指將電子儀器與可能的電荷源開(kāi)，也與連接器端口或感應(yīng)電流趨于集中的信號(hào)線相?？刹扇?/p>

13、以下兩個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行：A、 使電子元件與 PCB 走線遠(yuǎn)離會(huì)地方）。B、 使電子元件和 PCB 走線遠(yuǎn)離會(huì)在靜電放電中的 PCB 部分（例如，操作可直接觸摸到的在靜電放電中的任意一個(gè)金屬物體（包括螺釘、機(jī)架、連接器外殼等）。后一個(gè)要求小于下面的設(shè)計(jì)規(guī)則相關(guān)聯(lián)。六、PCB 上的機(jī)殼地線的阻抗要低，要好盡管 PCB 軌線上的阻焊層有利于PCB 走線，但阻焊層可能會(huì)導(dǎo)致插針孔發(fā)生電弧。A、易于通過(guò)，就到電路中好得多。機(jī)殼地線的最好方法是使之遠(yuǎn)離電子儀器。另外，如果機(jī)殼地線的阻抗很低，靜電放電電流發(fā)生電弧。當(dāng)然，如此迅速的電荷泄放會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的場(chǎng)，但這比電荷通過(guò)電弧直接注入B、 機(jī)殼地線的長(zhǎng)度不能超過(guò)其寬

14、度的四或五倍。比這個(gè)比例更寬的地線僅能使其阻抗（電感）稍微減小，但是更窄的地線卻會(huì)使其阻抗大幅度增加。這個(gè)長(zhǎng)寬比例意味著機(jī)殼地線必須很短才行，否則當(dāng)?shù)鼐€增長(zhǎng)時(shí)，其寬度要很寬。設(shè)計(jì)規(guī)則的優(yōu)先級(jí)至此，關(guān)于防止靜電放電危害的 PCB 設(shè)計(jì)技術(shù)的討論已告一段落。當(dāng)然，有些時(shí)候，這些規(guī)則不能全部滿足。這時(shí)，必須有意識(shí)地對(duì)一些東西進(jìn)行取舍。本章開(kāi)始部分提出三類潛在的靜電放電危害可用于確定處理靜電放電問(wèn)題的一般順序。通常是采用以下順序來(lái)進(jìn)行考慮：1、 防止電荷注入到系統(tǒng)電路，因?yàn)檫@會(huì)造成損壞電路。2、 防止靜電放電電3、 防止靜電場(chǎng)。所幸的是，這些規(guī)則的大部分都是兼容的，在典型的 PCB 設(shè)計(jì)中，所有的問(wèn)題

15、都可以得到很好的解決。生的場(chǎng)帶來(lái)的問(wèn)題。PCB 設(shè)計(jì)指南總結(jié)對(duì)于靜電放電問(wèn)題的解決方案，可按以下十二條規(guī)則來(lái)進(jìn)行（按優(yōu)先順序排列）：1、 PCB 上的非絕緣機(jī)殼地線必須與其他走線相距至少 2.2 毫米。這適用于連接到機(jī)殼地上的所有物體，包括軌線；2、 機(jī)殼地線的長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)其寬度的五倍；3、 使未絕緣的電路與操作可觸摸到的 PCB 區(qū)域或未接地的金屬物體相隔至少 2 厘米以上；4、 電源線與地線要么并排平行地放在 PCB 的同一層上，要么放在相鄰的兩層；5、 地平面和地線必須連成網(wǎng)格狀。在任意一個(gè)方向上，垂直地線與水平地線至少每隔 6 厘米連接一次。尤其是雙面 PCB 板，也就是說(shuō)，PCB 板

16、的第一層可以布水平的地線，而第二層可布垂直的地線，必須至少每隔 6 厘米放置一個(gè)過(guò)孔以將兩者相連（當(dāng)然，在小于 6 厘米的地方進(jìn)行連接是更好的，地平面比地線網(wǎng)格要好一些）；6、 所有信號(hào)線必須在地線面邊緣或地線以內(nèi) 13 毫米以上。地線既可以布在與信號(hào)線相同的層，也可布在與之第 8 頁(yè)共 9 頁(yè)2007-1-31陳家能PCB 信號(hào)的環(huán)路高手技巧緊挨著的層上。如果信號(hào)線的長(zhǎng)度達(dá)到 30 厘米或其以上，則必須在其旁邊放置一根地線，在信號(hào)線上方或其相鄰面上放線也是可以的；7、 電源線與地線之間跨接的旁路電容器，彼此之間的距離不能大于 8 厘米（這樣每片集成塊可能會(huì)有多個(gè)旁路電容相連）；8、 相互之間連線較多的元件要靠在一起；9、 所有元件必須盡可能靠近 I/O 連