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文檔簡介

第六章

PCB設(shè)計(jì)(PrintedCircuitBoard),中文名稱為印制電路板,又稱印刷電路板、印刷線路板,是重要的電子部件,是電子元器件的支撐體,是電子元器件電氣連接的提供者。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的,故被稱為“印刷”電路板。PCB1概論

1.1PCB是一個(gè)完整產(chǎn)品的縮影

環(huán)路的存在也是抗干擾問題存在的原因之一,因?yàn)檫@些環(huán)路都是接收天線單匝環(huán)路中感應(yīng)的電壓:V=A?Db/dt式中,A是回路面積;B是垂直于回路平面的磁通密度。作為數(shù)字電子工程師,要盡可能的減小環(huán)路1.3PCB中的數(shù)字電路中存在大量的磁場1.4PCB中不但存在大量的天線而且也是驅(qū)動源當(dāng)帶有高速信號的PCB印制線的長度與信號的波長可比擬時(shí),PCB可以直接通過自由空間直接輻射能量,或即使印制線的長度遠(yuǎn)小于信號的波長,地平面上的共模壓降將驅(qū)動與其連接的電纜通過電纜向外輻射能量。對于被共模電壓驅(qū)動的共模輻射來說,降低驅(qū)動電壓是最簡單可行的印制技術(shù)。RF驅(qū)動電壓存在的原因是:(1)電路走線阻抗;(2)地彈;(3)用來降低無用天線驅(qū)動電壓的旁路或屏蔽。為減小PCB上的輻射效率,需要采取EMC設(shè)計(jì)和抑制措施,除了屏蔽外,還包括建立良好的接地系統(tǒng)、合理的布線布局、恰當(dāng)?shù)倪x擇濾波器。其中在PCB板上,由于地阻抗總是較低,所以大部分電流將從PCB板中的工作地上流過。當(dāng)干擾共模電流流過PCB板時(shí),如果在兩個(gè)邏輯電路之間的地阻抗過大,將影響邏輯電路的正常工作。圖2是PCB板中完整地平面概率與阻抗的關(guān)系。圖2PCB板中完整地平面平率與阻抗的關(guān)系由圖2可知,一個(gè)完整的地平面,在100MHz的頻率時(shí),也只會產(chǎn)生0.3V的壓降,這對于3.3V的TTL電平電路來說是可以承受的。因?yàn)?.3V的TTL電平總是要在0.4V以上的電壓下才會發(fā)生邏輯轉(zhuǎn)換,這已經(jīng)是具有相當(dāng)抗干擾能力了。圖33.3V的TTL電平邏輯關(guān)系2相關(guān)案例

案例1:“靜地”的作用【現(xiàn)象描述】

某產(chǎn)品采用屏蔽結(jié)構(gòu)機(jī)柜,面板上有一個(gè)用來監(jiān)控的RS232串口,使用RJ45連接器,串口電路在控制板上。該串口通過一根編織屏蔽的屏蔽電纜與本產(chǎn)品中的AC/DC電源模塊的告警串口相連接。串口線長度是1.5m,但它在100MHz處產(chǎn)生的輻射異常強(qiáng)烈,超出了EN55022CLASSB限制15dB以上,下圖為輻射騷擾測試頻譜圖:把RJ45取下,剪斷兩根地針,再用一根約3CM長的細(xì)線引出PIN4腳(GND針)。一、細(xì)線懸空,100MHz處輻射為46dBV/m;二、細(xì)線接到機(jī)柜面板金屬殼,100MHz處輻射為37dBV/m;三、將細(xì)線接到PCB板上的GND上,100MHz處輻射為57dBV/m;四、在上面基礎(chǔ)上在磁珠后面加一個(gè)220pF的電容接到機(jī)柜的金屬面板上,100MHz處輻射為432BV/m五、將上面的電容去掉,電感直接接到面板上,100MHz處輻射為34dBV/m,即GND用磁珠與金屬面板相連,也可以滿足輻射發(fā)射要求六、在處理好GND線的基礎(chǔ)上,接上RX、TX線號,100MHz處輻射為54dBV/m,說明RX、TX信號線也需要進(jìn)行濾波去耦處理。RX、TX信號線上串接磁珠后,輻射下降4dB,加上磁珠并將220pF的電容接到金屬面板上、100MHz處輻射為33dBV/m設(shè)計(jì)PCB時(shí),“靜地”與PCB板的連接僅通過磁珠連接?!办o地”與金屬面板的連接方式為:“靜地”通過RJ45金屬連接器外殼插針連接RJ45金屬外殼,再通過RJ45外殼簧片連接金屬面板,磁珠跨接GND和“靜地”之間的分割線處。實(shí)際PCB布局、布線如右圖安裝重新做好的PCB后再進(jìn)行測試,輻射騷擾的測試頻譜如下圖,從圖中可以看出,原來輻射很高的100MHz頻點(diǎn)已經(jīng)下降25db【思考與啟示】

(1)RJ45連接器必須為金屬外殼的連接器,RJ45安裝面板處必須是金屬。

(2)“靜地”的方法只有在內(nèi)部PCB板GND存在很強(qiáng)的高頻噪聲的情況下,即串口接口內(nèi)部電路地噪聲較大的情況下使用。

(3)“靜地”面積不能太大,否則會使感應(yīng)板內(nèi)的噪聲不能起到靜地的作用。

(4)“靜地”區(qū)域不能有電源平面、GND平面及任何其他非串口走線。

(5)“靜地”要與金屬面板、RJ45連接器外殼相連接。

(6)“靜地”與板內(nèi)的GND相連的磁珠必須跨接在GND與靜地之間的分割處,TX、RX信號上的磁珠也要跨接在GND與“靜地”之間的分割處。案例2PCB布線不合理造成網(wǎng)口雷擊損壞【現(xiàn)象描述】

某路由器產(chǎn)品,在實(shí)際使用當(dāng)中,在遭受一次雷擊事件后,發(fā)現(xiàn)以太網(wǎng)通信不正常。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)是以太網(wǎng)口的物理層不能正常連接。測試發(fā)現(xiàn),以太網(wǎng)PHY芯片的接收端已經(jīng)對地短路。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)布在PCB頂層的以太網(wǎng)接收線已經(jīng)被燒斷,這段PCB布線有明顯的過流痕跡。以太網(wǎng)接收線被燒斷后的連接示意圖如下圖:【原因分析】

該產(chǎn)品的以太網(wǎng)接口PCB板布線情況是:RJ45到變壓器之間的接收信號布在TOP層,發(fā)送信號布BOTTOM層,RJ45是帶有金屬屏蔽的。據(jù)雷擊現(xiàn)象的研究結(jié)果,雷擊時(shí)產(chǎn)生的過電壓、過電流首先會在屏蔽電纜的屏蔽層上,然后再通過屏蔽層與地影響內(nèi)部電路。但是由于屏蔽金屬外殼與PCB的間隙很小,雷擊產(chǎn)生的大電流使網(wǎng)線的屏蔽層上出現(xiàn)很高的壓降,而屏蔽電纜的屏蔽層與RJ45連接器的外殼是互連的,這樣造成PCB上的以太網(wǎng)線接收信號線與RJ45的屏蔽金屬外殼之間絕緣擊穿。由于擊穿回路的阻抗較小,故很大的雷電流通過刪的布線將該信號線燒斷。同時(shí),信號線(地)擊穿屏蔽層,在網(wǎng)線屏蔽層上的高共模電壓部分轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信號線之間的差模電壓,進(jìn)而造成網(wǎng)口PHY芯片的損壞。

在以太網(wǎng)接口中,由于網(wǎng)口變壓器差模傳輸?shù)奶匦钥梢宰鳛楣材@讚暨^電壓、電流保護(hù)的隔離,在產(chǎn)生雷擊時(shí),網(wǎng)口屏蔽電纜上產(chǎn)生很高的共模電壓。如果高壓信號部分與其他低電壓信號線之間的絕緣耐壓不夠,兩者之間的電壓超過本身的耐壓能力后,就會造成擊穿。擊穿意味著電壓、電流從高壓處傳向低壓處后,將在信號線上形成很大的電流。擊穿的現(xiàn)象包括電壓、電流、阻抗等在不同的信號線上會有一定的不同。正由于這些不同導(dǎo)致將共模電壓轉(zhuǎn)換成差模電壓,對于一定頻率的差模信號,變壓器失去了隔離的作用,高壓就會順利通過變壓器傳送到電路上去,造成后級電路的損壞。【處理措施】

將以太網(wǎng)接口變壓器初級的信號布線改布在PCB內(nèi)層,以加強(qiáng)信號線與RJ45連接器外殼之間的絕緣強(qiáng)度。【思考與啟示】

如果產(chǎn)品使用區(qū)域有可能發(fā)生雷擊,而且由于其他原因使用以太網(wǎng)線及屏蔽連接器,故建議不要將以太網(wǎng)接口電路變壓器初級的信號線布置在表層或底層。案例3局部地平面與強(qiáng)輻射器件【現(xiàn)象描述】某家電產(chǎn)品采用塑料外殼,輻射發(fā)射超標(biāo),在問題定位過程中,用示波器及探頭做成簡易的近場探頭對該產(chǎn)品進(jìn)行問題定位:測試儀器:示波器TDS784D(1GHz)探頭P6245(1.5GHz)測試方法:把探頭和探頭的地線相連,形成一個(gè)環(huán)狀,猶如環(huán)狀接收天線,探頭與地線構(gòu)成的接受環(huán)路如左圖在測試中發(fā)現(xiàn),當(dāng)探頭靠近該產(chǎn)品中PCB板上的晶振和其輸出的時(shí)鐘線時(shí),輻射最大,探頭靠近晶振時(shí)的噪聲峰峰值如下圖所示,而且峰峰值超過400mV。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值,這個(gè)幅度偏大。

晶振、晶體和所有的應(yīng)用時(shí)鐘的電路放在一個(gè)局部地平面上是一種降低晶振、晶體等時(shí)鐘電路共模輻射的一種簡單而有效的方法。局部地平面應(yīng)該延伸到支持邏輯電路的下面,晶振下的局部地平面實(shí)例如下圖:【處理措施】

(1)晶根下方表層設(shè)置局部地平面,并通過多個(gè)過孔與地層相連。

(2)將原來布在表層的時(shí)鐘線,改為布在第三層(6層板)。將修改后的PCB板安裝在產(chǎn)品中,再用上述簡易近場探頭測試,測得結(jié)果如下圖所示。峰---峰值在40mv左右?!舅伎寂c啟示】

(1)在多層板PCB設(shè)計(jì)中,建議在品振下方設(shè)置局部地平面。對于兩層板,此方法顯得更為重要。(2)6層以上的多層板表層或底層不允許長距離布時(shí)鐘線。最大允許的表層時(shí)鐘線長度為時(shí)鐘信號波長的1/20。(3)晶振和驅(qū)動電路的下方及離這些電路300miI的距離內(nèi)不能布信號線?!粳F(xiàn)象描述】

某醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行輻射騷擾測試,醫(yī)療設(shè)備輻射發(fā)射頻譜圖如下圖所示:案例4PCB走線是如何將晶振輻射帶出的

測量超標(biāo)頻點(diǎn)尖蜂間隔22.1184Mb,與該系統(tǒng)中控制板中的晶振頻率一樣。經(jīng)過測試還發(fā)現(xiàn),該輻射并不是來自于晶振殼體的直接輻射,而是來自于連接在控制板上的串口線【原因分析】該產(chǎn)品控制板的部分PCB圖如下圖所示:

圖中分別指示出了CPU、串口信號驅(qū)動芯片、品振、串口連接器及中口信號的走線路徑。很明顯,這個(gè)問題是由于串口信號的走線穿過了晶振下方,使得晶振所產(chǎn)生的諧波信號直接輻合到串口信號線上,串口信號線成為了晶振振蕩信號諧波的裁體,而且串口信號線很長,包括串口電纜,這些都成為了很好的輻射天線,將晶振諧波信號帶出PCB板。晶振的周邊充滿著近場輻射場。如果充滿輻射場的范圍內(nèi)有器件或PCB走線,那么晶振及其諧波的RF信號將通過容性或感性的方式耦合到器件或PCB信號線上,即這些器件及信號線也帶上RF信號。當(dāng)信號波長與導(dǎo)體的長度相當(dāng)時(shí)會發(fā)生諧振,這時(shí)信號幾乎可以100%轉(zhuǎn)換成電磁場。對于本案例中設(shè)備的使用電纜來說,已足夠成為一個(gè)很好的天線。

如果假定導(dǎo)體是一個(gè)振子天線,就可以利用電纜長度與天線效率的關(guān)系圖來幫助分析

圖中右邊的斜線給出了導(dǎo)體成為理想天線時(shí)導(dǎo)體的長度與頻率的關(guān)系。很明顯;在常用的頻段內(nèi),即使很短的導(dǎo)體也能產(chǎn)生發(fā)射和抗擾度問題。可以看到,在100MHz處,1m長的導(dǎo)體就是很有效的天線,在1GHz處,100mm的導(dǎo)體就成為很好的天線。圖中間的斜線表示雖然導(dǎo)體沒有成為高效的天線,但仍有可能引起問題的導(dǎo)體長度。左邊的斜線表示導(dǎo)體的長度極短,其天線效應(yīng)可忽賂的情況?!咎幚泶胧?/p>

根據(jù)以上分析,晶振是一個(gè)噪聲源,這一事實(shí)是沒有辦法改變的,RS32串口電纜是天線,這也是沒有辦法改變的事實(shí)。但是噪

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