印刷电路板布局(电磁兼容性)

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www.lierda.com公司总部杭州市文二路207号文欣大厦301室电话0571-8880000088059493传真88805970提高电磁兼容性的刷电路板布局内容摘要………………………………………………………………………………………….....2介绍…………………………………………………………………………………………….2数字电路的特性……………………………………………………………………………….3电源线上的干扰抑制………………………………………………………………………….4信号线的干扰抑制…………………………………………………………………………….6振荡器………………………………………………………………………………………….8总结……………………………………………………………………………………………9图例列表图1电子系统中的电流通路………………………………………………………………2图2CMOS反向电路………………………………………………………………………3图3CMOS电路的供电电流对应于输入电压的函数……………………………………3图4具有寄生元器件的电路………………………………………………………………3图5电源线中的电流………………………………………………………………………4图6使用电感后电源线中的电流…………………………………………………………6图7集成电路CBLCH的布置………………………………………………………..6图8信号线及其返回线的布置…………………………………………………………….7图9信号和电源线中的电流……………………………………………………………….7图10信号线和地线的布局…………………………………………………………………..8图11晶体振荡电路…………………………………………………………………………..8图12振荡器金属镀层布局的方案…………………………………………………………..9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www.lierda.com公司总部杭州市文二路207号文欣大厦301室电话0571-8880000088059493传真88805970摘要电子电路和系统的电磁兼容性EMC的意义近来越来越受到重视这导致对设备的电磁特性的要求越来越严格需要考虑两个方面的特性电路产生尽量少或者不产生干扰以及电路对遭遇到的电磁能量的影响的抵抗力关于对电子电路和系统的影响的文章很多但对于电路特性及其产生的干扰的注意却很少本应用报告阐述决定电路电磁兼容性的重要原则并为开发工程师提供电路设计和电路板布局的信息介绍电子电路的电磁兼容性主要取决于元器件之间如何布局以及相互间如何进行电气连接线路中流过的任一电流在其相应的回路中产生等量的电流这个回路相当于一个天线发射电磁能量能量的大小取决于电流的大小信号的重复频率以及电流环几何面积的大小图1显示的是一个典型电路布局电流的通路图1电子系统中的电流通路对产生非法辐射有不同影响的各类线路有图1组成A-C-D-B和A-E-F-B环路的电源线系统运行所需的能量是由这些线路提供的因为电路的电源消耗不是恒定的与它的瞬时状态有关所以系统各个独立部分产生的所有频率分量都体现在这些电源线上因为这些电源线相对较高的阻抗通常约为100快速电流变化在线路中没有收到抑制这个功能必须由滤波电容CB实现信号和控制线组成的额外回路L-M-F-D和N-Q-P-F如果不考虑系统之外的线路这些线路围成的区域一般很小这些线路常常采用高频传送信号所以信号线和控制线必须考虑振荡电路及其外围频率决定元件组成回路G-H-J-K因为最高频率通常处于该点我们在设计电路时必须特别注意避免不必要的干扰电压以及通过连接线的布线减小这些天线的影响区域数字电路的特性了解逻辑电路的几个重要特性的关系就可以找出专门有效的提高电磁兼容性的方法这些特性是对CMOS集成电路论证得出的一个例子可以很好地解释图2显示的是一个由N沟道和P沟道二极管组成的简单反相器的样例电路如果一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www.lierda.com公司总部杭州市文二路207号文欣大厦301室电话0571-8880000088059493传真88805970个小于N沟道二极管门槛电压VIT-的电压VI作用在输入上二极管不会导通而P沟道二极管将会导通相反如果一个大于VCC-VIT+的电压作用在输入上VIT+是P沟道二极管的门槛电压N沟道将会导通而P沟道二极管不会导通在两种情况下除了反向泄漏电流外没有电流流过电路这也是CMOS电路静态功耗极低的原因图2CMOS反相电路然而如果一个处于两个界限VIT和VCC-VIT之间的电压作用到这个反相器的输入端两个二极管将会变得更加导电或者更加不导电由此产生的结果就是大大增加了供电电流看图3在这种情况下HCMOS电路需要大约1mA而对高级CMOSAC电路供电电流将增大到超过5mA图3CMOS电路的供电电流对应于输入电压的函数因为这样一个电路的输入电压在很短时间内从低到高或从高到低变化时不能跳过临界电压范围所以在这段时间里的脉冲形状的电流峰值时常被称为电流尖峰的大小不可忽视在输入阶段必须保证1mA到5mA的电流幅值见图3在集成电路的输出阶段这种现象要严格得多因为输出阶段必须驱动连接在输出端的负载这些二极管必须做得大得多结果电流峰值得幅度也大大增加在一个5纳秒到10纳秒的脉冲时间内对HCMOS设备为20mA对AC电路为60mA电源线上的干扰抑制前面提到的电流峰值是电磁干扰最重要的原因之一每次输出开关时相应的会有一个电流脉冲流过电源线后者更直接或更不直接的从模块连接到中心电源供应当集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www.lierda.com公司总部杭州市文二路207号文欣大厦301室电话0571-8880000088059493传真88805970成电路的输出以更高的重复率开关比如在处理器和相应存储器的连接线上这个问题就更加严重了实际应用中推荐在靠近集成电路的供电电源线上耦合一个陶瓷电容CB=100nF在数字系统中这个技术对于负荷变化时电源电压不会产生不可接受的变化是很有效的不过这只能很有限地减小电磁干扰为了实现重大改善首先必须分析整个电路及其寄生元器件图4显示的是测试电路两个二极管Q1和Q2是要分析特性的集成电路的输出部分它与周围电路通过Lp/Rp/Cp网络相连接代表封装中的寄生元器件以下是各部分的假定值封装的电感Lp5nH到30Nh封装的电容Cp1.5pF到3pF封装的电阻Rp0.1图4具有寄生元器件的电路在集成电路的电源Vcc和GND端如图1所示CB连接在电源两端假定线路板上从Vcc源端到终端单位长度上的阻抗为下列值单位长度电感L’=5nH/cm单位长度电容C’=0.8Pf/cm单位长度电阻R’=0.01/cm电源线随后到达第一个滤波电容CB见图4右手边的LbRbCb标志它的等效电路组成如下电容Cb=100nF典型值引线电感Lb=2nH表面贴装阻性损失Rb=0.2电路特性使用SPICE程序在假设负荷没有连接到集成电路输出电路断开的情况下进行仿真图5显示的是计算后的电流波形下面是应用中的定义Icc到集成电路的Vcc连接线中的电流Ic1第一个滤波电容中的电流Ic2第二个滤波电容的电流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www.lierda.com公司总部杭州市文二路207号文欣大厦301室电话0571-8880000088059493传真88805970图5电源线中的电流电流Icc的波形揭示了前面已经提到的约为15mA的电流峰值从前面的讨论可以看出滤波电容不能平滑这个电流脉冲实际上由线路电感原则上是由集成电路封装引起的和CB组成的谐振电路就会受激而产生增大的电流电流Ic1电流Ic2的主要部分是通过电源线传输的然后几乎不减小地流入下面的CB从电路电磁兼容性的观点来看用这种形式CB不能明显减小辐射干扰在实际应用中很长的电源线时常存在同时常常包围了相对很大的面积组成了一个有效的发射天线会在很多频率上辐射不可接受程度的干扰为了改善电路特性必须采取措施保证图5中所示的电流在系统中的传输受到限制这不能单独通过CB实现相对于这里的要求性能的完善也不能实现因为引起干扰的电感在很大程度上是由集成电路的封装和与电容的连接线引起的简单的并联几个不同容量的电容不能实现明显的改善更要关注的是防止产生干扰的电流到达电路的其他部分这可以通过在第一个CB之后引入一个电感线圈对高频来说意味着足够高的电阻在模拟电路中假定一个电感的值为Lch=1H可以通过并联一个50的电阻来限制它在高频时的阻抗模拟的结果如图6所示象预计的那样到集成电路的引线中的电流Icc和第一个电容CB的电流Ic1没有变小不过图6显示电感后面的电流幅值ICH减小了20dB以上这种方法可以明显减小辐射接下来的问题是在电路板上如何安排单个元器件来最大程度的减小辐射图7显示了为了达到这个目的一种电路方案集成电路下的接地区域连接到电路的GND引脚这个地确保从集成电路发散出来的线路的主要部分集中在集成电路和地层次之间由于在大表面面积上地趋肤效应到CB的线电感进一步减小电容是否位于正极Vcc和负极GND电源连接之间并不重要只有寄生电感和使天线的有效区域尽可能小才真正重要电感LCH应尽可能接近需要抑制干扰的电路部分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www.lierda.com公司总部杭州市文二路207号文欣大厦301室电话0571-8880000088059493传真88805970图6使用电感后电源线中的电流图7集成电路CBLCH的布置信号线上的干扰抑制图8显示的是信号电流应流向哪里以减小信号线的辐射干扰在这个电路中一个们驱动一条连接了一个终端阻抗Z的线路这个阻抗可以由集成电路输入电容CIN=5pF和几千到几兆欧姆的输入电阻RIN组成在信号传输的下降延电流从驱动器的输出流向漏极再从漏极经过地线流回信号源简单描述连接线的电容和接收器的输入电容通过驱动器的输出电阻放电当传输信号的上升延时情况正好相反这个电容必须由供电电源经过驱动器的输出电阻充电在这种情况下这些信号电流也出现在电源线上这表明采取的减小从电源线来的干扰的预防措施是有效的图9显示的是刚才讨论的布局的仿真结果在这个例子中集成电路的输出驱动一条5厘米长的特性阻抗Zo100的线路终端并联了100K的电阻和5pF的电容由于接入了大容量的容性负载在输出端VOUT下降沿时峰值电流ICC的幅值明显减小输出端的电容短时间内保持该点的电压在原值高阻止电流流过输出阶段上一晶体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www.lierda.com公司总部杭州市文二路207号文欣大厦301室电话0571-8880000088059493传真88805970管电压差为0V在上升沿信号电流IOUT叠加到输出ICC的支线电流电流可以通过在输出端串联一个电阻Rs减小电流根据电路传输理论如果图8信号线及其返回线的布置图9信号和电源线中的电流驱动器的输出电阻由它的内阻和串联电阻Rs组成小于和等于它所连接的线路的特性阻抗Zo=70到120这个电阻对电路速度就没有不良影响实际上电阻值约为50所以电流幅值可以减小约3dB这种解决方案需要更多的元器件只有在同时减小线路反射引起的畸变时才能采用必须注意尽可能减小天线效应比如使输出和返回线路围成的面积尽可能小一个有效的方法就是返回线走线时与信号线平行见图10多层板中在信号线的下面有一个连续的地层这点自动得到保证如果传输的是高频信号比如时钟信号或者线路很长这种方法就时常用到在这种情况下具有固定线路阻抗注意反射的线路也时常用到通过额外地线的合理布局可以减小关键线路间的串扰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www.lierda.com公司总部杭州市文二路207号文欣大厦301室电话[phone]