《CB設(shè)計(jì)余洋意》課件

余洋意第六章

PCB設(shè)計(jì)1可整理ppt（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。PCB2可整理ppt1概論

1.1PCB是一個(gè)完整產(chǎn)品的縮影

3可整理ppt1.2PCB中的環(huán)路無處不在

4可整理ppt

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5可整理ppt1.3PCB中的數(shù)字電路中存在大量的磁場(chǎng)6可整理ppt1.4PCB中不但存在大量的天線而且也是驅(qū)動(dòng)源當(dāng)帶有高速信號(hào)的PCB印制線的長(zhǎng)度與信號(hào)的波長(zhǎng)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(zhǎng)度遠(yuǎn)小于信號(hào)的波長(zhǎng)，地平面上的共模壓降將驅(qū)動(dòng)與其連接的電纜通過電纜向外輻射能量。對(duì)于被共模電壓驅(qū)動(dòng)的共模輻射來說，降低驅(qū)動(dòng)電壓是最簡(jiǎn)單可行的印制技術(shù)。RF驅(qū)動(dòng)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(dòng)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。7可整理ppt1.5PCB中的地平面阻抗與瞬態(tài)抗干擾能力有直接影響瞬態(tài)干擾總是通過寄生電容、分布電容進(jìn)入電路內(nèi)部。如圖1所示的例子中，對(duì)于不接地設(shè)備，當(dāng)總是以共模方式出現(xiàn)的EFT/B干擾施加在電源線上時(shí)，由于信號(hào)電纜與參考地之間的分布電容的存在，導(dǎo)致EFT/B共模干擾電流從電源線經(jīng)過PCB板，最后通過電纜的分布電容入地。圖1EFT干擾流過PCB板中的工作地8可整理ppt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9可整理ppt由圖2可知，一個(gè)完整的地平面，在100MHz的頻率時(shí)，也只會(huì)產(chǎn)生0.3V的壓降，這對(duì)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(huì)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10可整理ppt2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(zhǎng)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(cè)試頻譜圖：11可整理ppt【原因分析】I/O電路的大部分EMI問題來自于以下幾個(gè)方面：（1）I/O電路元器件或I/O信號(hào)本身產(chǎn)生的共模噪聲；（2）電源平面上的噪聲耦合到I/O電路及導(dǎo)線上；（3）時(shí)鐘信號(hào)容性耦合或感性耦合到I/O信號(hào)線或電纜上；（4）機(jī)殼地、數(shù)字地、模擬地等地之間不正確的連接；（5）混用不同的連接器（如將金屬陰頭連接器連接到陽頭的塑料連接器等）；

在本案例中，串行口所在PCB板的大致結(jié)構(gòu)如下圖12可整理ppt13可整理ppt把RJ45取下，剪斷兩根地針，再用一根約3CM長(zhǎng)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/m14可整理ppt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(hào)，100MHz處輻射為54dBV/m，說明RX、TX信號(hào)線也需要進(jìn)行濾波去耦處理。RX、TX信號(hào)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/m15可整理ppt【處理措施】

在上述對(duì)策過程中的“金屬面板”實(shí)際上是用一小塊銅箔膠帶粘貼金屑面板上作為機(jī)柜金屬面板延伸出來的地。由于金屬面板與機(jī)拒整體有良好的連接，相當(dāng)于零噪聲地，所以從金屬面板延伸出來的地也是EMC意義上的“靜地”。另外，串口電路密要考慮浪涌防護(hù)，根據(jù)先防護(hù)后濾波的原則，TVS需要加在電容與磁珠的前面。綜上所述，可得到RS232串口員簡(jiǎn)單的濾波電路，如下圖所示。16可整理ppt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17可整理ppt安裝重新做好的PCB后再進(jìn)行測(cè)試，輻射騷擾的測(cè)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25db18可整理ppt【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(huì)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(hào)上的磁珠也要跨接在GND與“靜地”之間的分割處。19可整理ppt

(7)不得不提的是，設(shè)計(jì)“靜地。一定要很小心，如果設(shè)計(jì)“靜地”之后，兩個(gè)被分割的地平面之間有相互通信的器件，就不適用“靜地”并采用磁珠跨接在兩地之間的方式。在這種情況下，設(shè)計(jì)良好的地等電位才是最好的出路，可降低共模壓降，采用電容連接才能彌補(bǔ)地分割后兩地之間在高頻下的電位差。

(8)“靜地”上必須不存在任何數(shù)字信號(hào)的回流，因此也稱為“無噪聲地”。“靜地”應(yīng)與機(jī)殼良好搭接，搭接阻抗(主要是電感)要盡可能地減小，可采取多點(diǎn)搭接方法，以保證“靜地”和機(jī)殼具有相等的電位?！芭盏亍焙蛿?shù)字地之間仍保持電氣連接。連接器處的每條I/O線包括信號(hào)線和回流線都應(yīng)分別并聯(lián)高頻旁路電容至“靜地”，去鋁環(huán)路的電感越小越好，如可用表面安裝式電容，這樣外部干擾，如靜電、浪誦脈沖等如通過I/O線侵入，則還沒有到達(dá)元器件區(qū)域時(shí)就被旁路電容旁路到設(shè)備的機(jī)殼上，從而保護(hù)了內(nèi)部元器件的安全工作。同時(shí)，I/O線所攜帶的PCB共模干擾電流在輸出前也通過旁路電容被旁路了。20可整理ppt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(cè)試發(fā)現(xiàn)，以太網(wǎng)PHY芯片的接收端已經(jīng)對(duì)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：21可整理ppt【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(hào)布在TOP層，發(fā)送信號(hào)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(huì)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(hào)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(hào)線燒斷。同時(shí)，信號(hào)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(hào)線之間的差模電壓，進(jìn)而造成網(wǎng)口PHY芯片的損壞。22可整理ppt

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(hào)部分與其他低電壓信號(hào)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(huì)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(hào)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(hào)線上會(huì)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(duì)于一定頻率的差模信號(hào)，變壓器失去了隔離的作用，高壓就會(huì)順利通過變壓器傳送到電路上去，造成后級(jí)電路的損壞。23可整理ppt網(wǎng)口連接器RJ45的金屬屏蔽殼包圍著網(wǎng)口的四周。如果信號(hào)布線在TOP層，信號(hào)線與連接器的金屬外殼之間的絕緣間隙就不能滿足一定的耐壓要求。因此，如果采用金屬外殼的屏蔽網(wǎng)口連接器，則闖口連接器與變壓器之間的信號(hào)線不能布在TOP層，否則必須做電壓鉗位型的共模保護(hù)或采用特殊的絕緣處理。24可整理ppt【處理措施】

將以太網(wǎng)接口變壓器初級(jí)的信號(hào)布線改布在PCB內(nèi)層，以加強(qiáng)信號(hào)線與RJ45連接器外殼之間的絕緣強(qiáng)度?！舅伎寂c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(jí)的信號(hào)線布置在表層或底層。25可整理ppt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(jiǎn)易的近場(chǎng)探頭對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行問題定位：測(cè)試儀器：示波器TDS784D(1GHz)探頭P6245(1.5GHz)測(cè)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26可整理ppt在測(cè)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。27可整理ppt【原因分析】

晶振及其相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)由于其周期特性、快上升沿的特性成為PCB板上的主要騷擾源之一，井有著豐富的諧波.

晶體內(nèi)部電路由于其特性會(huì)產(chǎn)生RF電流，且RF電流可能很大，以至于晶體的地引腳不能以很小的損耗充分地將這個(gè)很大的Ldi/dt電流引到地平面，導(dǎo)致金屬外殼變成了單極天線。如果晶體是表貼器件，則由于表貼器件常常是塑封的，放這時(shí)的情況會(huì)變得更糟糕。封裝內(nèi)產(chǎn)生的RF電流會(huì)輻射到空間，耦合到其他器件，PCB材料相對(duì)于晶體地引腳具有更高的阻抗，它將阻止RF電流進(jìn)入地平面。就是這些原因使得本案例中的晶振引腳或品振周邊鄰近的空間產(chǎn)生較大的高頻噪聲。28可整理ppt

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(jiǎn)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：29可整理ppt【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(jiǎn)易近場(chǎng)探頭測(cè)試，測(cè)得結(jié)果如下圖所示。峰---峰值在40mv左右。30可整理ppt【思考與啟示】

(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(duì)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(zhǎng)距離布時(shí)鐘線。最大允許的表層時(shí)鐘線長(zhǎng)度為時(shí)鐘信號(hào)波長(zhǎng)的1／20。(3)晶振和驅(qū)動(dòng)電路的下方及離這些電路300miI的距離內(nèi)不能布信號(hào)線。31可整理ppt【現(xiàn)象描述】

某醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行輻射騷擾測(cè)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32可整理ppt

測(cè)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(cè)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33可整理ppt【原因分析】該產(chǎn)品控制板的部分PCB圖如下圖所示：34可整理ppt

圖中分別指示出了CPU、串口信號(hào)驅(qū)動(dòng)芯片、品振、串口連接器及中口信號(hào)的走線路徑。很明顯，這個(gè)問題是由于串口信號(hào)的走線穿過了晶振下方，使得晶振所產(chǎn)生的諧波信號(hào)直接輻合到串口信號(hào)線上，串口信號(hào)線成為了晶振振蕩信號(hào)諧波的裁體，而且串口信號(hào)線很長(zhǎng)，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(hào)帶出PCB板。晶振的周邊充滿著近場(chǎng)輻射場(chǎng)。如果充滿輻射場(chǎng)的范圍內(nèi)有器件或PCB走線，那么晶振及其諧波的RF信號(hào)將通過容性或感性的方式耦合到器件或PCB信號(hào)線上，即這些器件及信號(hào)線也帶上RF信號(hào)。35可整理ppt