减小电磁干扰的印刷电路板设计原则

利尔达单片机技术有限公司杭州市文二路207号文欣大厦301室减小电磁干扰的印刷电路板设计原则减小电磁干扰的印刷电路板设计原则减小电磁干扰的印刷电路板设计原则减小电磁干扰的印刷电路板设计原则内容摘要摘要摘要摘要……………………………………………………………………………………11背景背景背景背景…………………………………………………………………………………11.1射频源……………………………………………………………………….11.2表面贴装芯片和通孔元器件……………………………………………….11.3静态引脚活动引脚和输入……………………………………………….11.4基本回路……………………………………………………………………..21.4.1回路和偶极子的对称性………………………………………………31.5差模和共模…………………………………………………………………..32电路板布局电路板布局电路板布局电路板布局…………………………………………………………………………42.1电源和地…………………………………………………………………….42.1.1感抗……………………………………………………………………42.1.2两层板和四层板………………………………………………………42.1.3单层板和二层板设计中的微处理器地……………………………….42.1.4信号返回地……………………………………………………………52.1.5模拟数字和高压…………………………………………………….52.1.6模拟电源引脚和模拟参考电压……………………………………….52.1.7四层板中电源平面因该怎么做和不应该怎么做…………………….52.2两层板中的电源分配……………………………………………………….62.2.1单点和多点分配……………………………………………………….62.2.2星型分配………………………………………………………………62.2.3格栅化地……………………………………………………………….72.2.4旁路和铁氧体磁珠……………………………………………………92.2.5使噪声靠近磁珠……………………………………………………..102.3电路板分区…………………………………………………………………112.4信号线……………………………………………………………………...122.4.1容性和感性串扰……………………………………………………...122.4.2天线因素和长度规则………………………………………………...122.4.3串联终端传输线…………………………………………………..132.4.4输入阻抗匹配………………………………………………………...132.5电缆和接插件……………………………………………………………...132.5.1差模和共模噪声……………………………………………………...142.5.2串扰模型……………………………………………………………..142.5.3返回线路数目………………………………………………………..142.5.4对板外信号I/O的建议………………………………………………142.5.5隔离噪声和静电放电ESD……………………………………….142.6其他布局问题……………………………………………………………...142.6.1汽车和用户应用带键盘和显示器的前端面板印刷电路板………...152.6.2易感性布局…………………………………………………………...153屏蔽屏蔽屏蔽屏蔽………………………………………………………………………………..163.1工作原理…………………………………………………………………...163.2屏蔽接地…………………………………………………………………...16电子技术论坛利尔达单片机技术有限公司杭州市文二路207号文欣大厦301室电缆和屏蔽旁路…………………………………………………………..164总结总结总结总结………………………………………………………………………………175参考文献参考文献参考文献参考文献…………………………………………………………………………17电子技术论坛利尔达单片机技术有限公司杭州市文二路207号文欣大厦301室的信号不需考虑电磁干扰………………………………………2图2回路的例子……………………………………………………………………..3图3差模和共模噪声………………………………………………………………..4图4微处理器地……………………………………………………………………..5图5布局考虑………………………………………………………………………..6图6电源分配………………………………………………………………………..7图7两层板中格栅化电源线………………………………………………………..8图8地填充和地线的格栅化来组成接地敷铜……………………………………..8图9磁珠尽量靠近噪声源放置…………………………………………………….10图10电路分区……………………………………………………………………...12图11MOS缓冲简化电路…………………………………………………………...13图12前端面板格栅化形成两个地层……………………………………………...15图13外部I/O的安装滤波电容……………………………………………………16表格清单表1终端匹配特性………………………………………………………………….13电子技术论坛利尔达单片机技术有限公司杭州市文二路207号文欣大厦301室的噪声因为由电路板上的线路所覆盖的区域组成了一个大天线这些引脚也同时连接到内部和外部的线缆这些噪声产生于集成电路内部的时钟切换在静态输出上表现为短时脉冲波形干扰短时脉冲波形干扰是由输出引脚和时钟驱动器的共模阻抗引起的即提供电源和地的所有引脚大部分芯片的同步特性使得所有电流切换事件同时发生从而产生包含射频能量的大的噪声尖峰第二大射频源是电源供应系统它包括电源稳压器及其稳压器和微控制器端的旁路电容这些电路是系统中所有射频能量的源头为芯片内的时序电路提供需要的切换电流第三个射频源是上下振荡的振荡器电路除了基频因为输出缓冲是数字的将正弦波转化成方波时会在输出侧产生谐波内部运行产生的任何噪声比如时钟缓冲都会在输出端显示出来如果在晶振及其振荡回路与印刷电路板上的其他元器件和线路进行适当的隔离且环形面积保持较小这个噪声源就不会有问题但可以看出如果集成电路或无源元器件例如VBtt的串联电感放置在晶振的附近晶振的谐波就会耦合并传播本应用报告的主要焦点放在上述的第一和第二个噪声源处理第三噪声源的方法也有阐明而且包括了电路板分区平面布置和屏蔽的重要信息12表面贴装芯片和通孔元器件表面贴装芯片SMD因为感抗较小和元器件放置较近在处理射频能量时比引线芯片更好后者通过减小表面贴装芯片的物理尺寸是可能的这对最需要噪声控制元器件的两层板的设计是关键的通常引线电容在约80MHz时都会产生自振荡由容性变为感性因为高于80MHz的噪声要受到控制如果设计中仅采用通孔元器件就要考虑许多严重的问题13静态引脚活动引脚和输入如前所述所有线路都会在某种程度上接收来自处理器的噪声来自引脚电子技术论坛利尔达单片机技术有限公司杭州市文二路207号文欣大厦301室引脚处在输入模式未使用的输出晶体管的容抗从电源干线向引脚传输噪声噪声的量取决于连接到引脚的阻抗阻抗越高微处理器产生的噪声就会更多这就是为什么没有使用的输入引脚应该连接到最低阻抗干线可能的情况下直接短接到地至于开关输出信号只有当信号的边缘跳变大于50KHz见图1才需考虑如果引脚改变状态的速率低于每100条指令一次这是可以接受的因为开关产生的噪声是可以忽略的如果引脚开关在下一条指令动作并在100条指令内保持静态这也是可以接受的因为它包含了与前一例子相同的能量图1低于50KHz的信号不需考虑电磁干扰14基本回路从微处理器传送到另一芯片的每个边缘跳变都是一个电流脉冲电流脉冲流向接受芯片流出该芯片的接地引脚然后通过地线返回到微处理器的接地引脚见图2电流脉冲不流出接收芯片的地引线及返回电池而是经过一个回路返回它产生的地方这样的回路到处存在任何噪声电压和它的附属电流经过最低阻抗路径回到它产生的地方这是一个很有用的概念因为它让你通过控制返回路径的形状和阻抗来减轻噪声的传播一个回路可以是信号线和它的返回路径电源和地之间的旁路和微处理器的活跃部分晶体振荡器和微处理器内的驱动器或者是从电源供应或者电压稳压器到旁路电容的回路其他更困难的回路实际上是周围的场回路例如晶振本身发射的能量会耦合到附近的线路中因此该线路包含极力返回晶振回路的噪声这可能涉及一条很长且回旋的路径构成晶振产生的噪声的另外一条天线电子技术论坛利尔达单片机技术有限公司杭州市文二路207号文欣大厦301室波长那意味着在形成回路的情况下回路布局的几何面积越大辐射就越强直至回路的一条或两条边达