PCB设计原则归纳22条
0 2022-01-24

辐射产生

辐射是由电流而非电压引起的。静态电荷产生静电场,恒定电流产生磁场,时变电流既产生电场又产生磁场。任何电路中都存在共模电流和差模电流,差模信号携带数据或有用信号,共模信号是差模模式的负面效果。

差模电流

大小相等,方向(相位)相反。由于走线的分布,电容、电感、信号走线阻抗不连续,以及信号回流路径流过了意料之外的通路等,差模电流会转换成共模电流。

共模电流

大小不一定相等,方向(相位)相同。设备对外的干扰多以共模为主,差模干扰也存在,但共模干扰强度常常比差模大几个数量级。外来的干扰也多以共模干扰为主,共模干扰本身一般不会对设备产生危害,但如果共模干扰转变为差模干扰,就严重了,因为有用信号都是差模信号。差模电流的磁场主要集中在差模电流构成的回路面积内,而回路面积之外,磁力线会相互抵消;共模电流的磁场在回路面积之外,共模电流产生的磁场方向相同。PCB的很多EMC设计都遵循以上理论。

在PCB板上抑制干扰的途径有:

1、减小差模信号回路面积。
2、减小高频噪声回流(滤波、隔离及匹配)。
3、减小共模电压(接地设计)。

PCB设计原则归纳

原则1:PCB时钟频率超过5MHz或信号上升时间小于5ns,一般需要使用多层板设计。

原因:采用多层板设计,信号回路面积能够得到很好的控制。

原则2:对于多层板,关键布线层(时钟线、总线、接口信号线、射频线、复位信号线、片选信号线以及各种控制信号线等所在层)应与完整地平面相邻,优选两地平面之间。

原因:关键信号线一般都是强辐射或极其敏感的信号线,靠近地平面布线能够使其信号回路面积减小,减小其辐射强度或提高抗干扰能力。

原则3:对于单层板,关键信号线两侧应该包地处理。

原因:关键信号两侧包地,一方面可以减小信号回路面积,另外还可以防止信号线与其他信号线之间的串扰。

原则4:对于双层板,关键信号线的投影平面上有大面积铺地,或者与单面板一样包地打孔处理。

原因:与多层板关键信号靠近地平面相同。

原则5:多层板中,电源平面应相对于其相邻地平面内缩5H-20H(H为电源和地平面的距离)。

原因:电源平面相对于其回流地平面内缩可以有效抑制边缘辐射问题。

原则6:布线层的投影平面应该在其回流平面层区域内。

原因:布线层如果不在回流平面层的投影区域内,会导致边缘辐射问题,并且导致信号回路面积增大,从而导致差模辐射增大。

原则7:多层板中,单板TOP、BOTTOM层尽量无大于50MHZ的信号线。

原因:最好将高频信号走在两个平面层之间,以抑制其对空间的辐射。

原则8:对于板级工作频率大于50MHz的单板,若第二层与倒数第二层为布线层,则TOP和BOOTTOM层应铺接地铜箔。

原因:最好将高频信号走在两个平面层之间,以抑制其对空间的辐射。

原则9:多层板中,单板主工作电源平面(使用最广泛的电源平面)应与其地平面紧邻。

原因:电源平面和地平面相邻可以有效地减小电源电路回路面积。

原则10:在单层板中,电源走线附近必须有地线与其紧邻、平行走线。

原因:减小电源电流回路面积。

原则11:在双层板中,电源走线附近必须有地线与其紧邻、平行走线。

原因:减小电源电流回路面积。

原则12:在分层设计时,尽量避免布线层相邻的设置。如果无法避免布线层相邻,应该适当拉大两布线层之间的层间距,缩小布线层与其信号回路之间的层间距。

原因:相邻布线层上的平行信号走线会导致信号串扰。

原则13:相邻平面层应避免其投影平面重叠。

原因:投影重叠时,层与层之间的耦合电容会导致各层之间的噪声互相耦合。

原则14:PCB布局设计时,应充分遵守沿信号流向直线放置的设计原则,尽量避免来回环绕。

原因:避免信号直接耦合,影响信号质量。

原则15:多种模块电路在同一PCB上放置时,数字电路与模拟电路、高速与低速电路应分开布局。

原因:避免数字电路、模拟电路、高速电路以及低速电路之间的互相干扰。

原则16:当线路板上同时存在高、中、低速电路时,应该遵从高、中速电路远离接口的原则。

原因:避免高频电路噪声通过接口向外辐射。

原则17:存在较大电流变化的单元电路或器件(如电源模块的输入输出端、风扇及继电器)附近应放置储能和高频滤波电容。

原因:储能电容的存在可以减小大电流回路的回路面积。

原则18:线路板电源输入口的滤波电路应靠近接口放置。

原因:避免已经经过了滤波的线路被再次耦合。

原则19:在PCB板上,接口电路的滤波、防护以及隔离器件应该靠近接口放置。

原因:可以有效的实现防护、滤波和隔离的效果。

原则20:如果接口处既有滤波又有防护电路,应该遵从先防护后滤波的原则。

原因:防护电路用来进行外来过压和过流抑制,如果将防护电路放置在滤波电路之后,滤波电路会被过压和过流损坏。

原则21:布局时要保证滤波电路(滤波器)、隔离以及防护电路的输入输出线不要相互耦合。

原因:上述电路的输入输出走线相互耦合时会削弱滤波、隔离或防护效果。

原则22:单板上如果设计了接口“干净地”,则滤波、隔离器件应放置在“干净地”和工作地之间的隔离带上。

原因:避免滤波或隔离器件通过平面层互相耦合,削弱效果。 

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