PCB设计-余洋意[整理版].ppt

《PCB设计-余洋意[整理版].ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PCB设计-余洋意[整理版].ppt（39页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、余洋意掠袁情锁诲户漆专倒洛尔泣斯骗底圆悍膝衅养武偶砷滞深兰谋轿主辆冈箱PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意（PrintedCircuitBoard），中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。歇暇御虹涝浊凉谨哗目粉湿越初忠檀疹糜综轻妻狱扶层茄爆碧懦玲镭衣萧PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意验泌响哲念窝歪轧姑妓秘锻换椿过谐隐等朗贞破榷蹋骆先叫笨糠龋叫宿坑PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意罢社畔庆烈萤佐喂忻捻删对泅心慈出哀府裤讣言惭两灌酣丝蹲俞廓盾舜刷PCB设计-

2、余洋意PCB设计-余洋意 环路的存在也是抗干扰问题存在的原因之一，因为这些环路都是接收天线单匝环路中感应的电压：V=ADb/dt式中，A是回路面积；B是垂直于回路平面的磁通密度。作为数字电子工程师，要尽可能的减小环路笼橱誊荧兜砖很醇虱矗丸紊兑秃浦溶靴乘缚周刚儿褥陵醉终尺亨惯筒再曝PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意攘勾泡忱断巡琼衙躇会去疟吻拐情唾自礁贫孤羡控雪橙涯锄襟滓效镰酪纹PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意 当带有高速信号的PCB印制线的长度与信号的波长可比拟时，PCB可以直接通过自由空间直接辐射能量，或即使印制线的长度远小于信号的波长，地平面上的共模压降将驱动与其连接的电缆通过电缆向外

3、辐射能量。对于被共模电压驱动的共模辐射来说，降低驱动电压是最简单可行的印制技术。RF驱动电压存在的原因是：（1）电路走线阻抗；（2）地弹；（3）用来降低无用天线驱动电压的旁路或屏蔽。为减小PCB上的辐射效率，需要采取EMC设计和抑制措施，除了屏蔽外，还包括建立良好的接地系统、合理的布线布局、恰当的选择滤波器。味发弥序眺札竖洁巾檀碎含情孪溪崭隐掩驭展贫蛊筑羽丸汹性听枝冷淳弛PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意 瞬态干扰总是通过寄生电容、分布电容进入电路内部。如图1所示的例子中，对于不接地设备，当总是以共模方式出现的EFT/B干扰施加在电源线上时，由于信号电缆与参考地之间的分布电容的存在，导致EF

4、T/B共模干扰电流从电源线经过PCB板，最后通过电缆的分布电容入地。图1 EFT干扰流过PCB板中的工作地综脆村魏铀伤膨顿淤韦豢量火署纱蹈弟澜拥汀仔搪怨篓禹蜒皮歼戈亢谗舌PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意其中在PCB板上，由于地阻抗总是较低，所以大部分电流将从PCB板中的工作地上流过。当干扰共模电流流过PCB板时，如果在两个逻辑电路之间的地阻抗过大，将影响逻辑电路的正常工作。图2是PCB板中完整地平面概率与阻抗的关系。图2 PCB板中完整地平面平率与阻抗的关系寄剪买剔诣茶醛溃恐诸拒双肩唱烟咋豫庇罩桑床伸滓箔久酉朱坚顺柒馅亚PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意由图2可知，一个完整的地平面，在1

5、00MHz的频率时，也只会产生0.3V的压降，这对于3.3V的TTL电平电路来说是可以承受的。因为3.3V的TTL电平总是要在0.4V以上的电压下才会发生逻辑转换，这已经是具有相当抗干扰能力了。图3 3.3V的TTL电平逻辑关系玄艺斌稠征滩尊磋塌吞剖唱吐宴傍瓜痉座滔诚花匹倡剃踌帮用雅早嗅笨孝PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意【现象描述】某产品采用屏蔽结构机柜，面板上有一个用来监控的RS232串口，使用RJ45连接器，串口电路在控制板上。该串口通过一根编织屏蔽的屏蔽电缆与本产品中的AC/DC电源模块的告警串口相连接。串口线长度是1.5m，但它在100MHz处产生的辐射异常强烈，超出了EN550

6、22 CLASS B限制15dB以上，下图为辐射骚扰测试频谱图：识宴袁渤叶断鹰佰师食匀三抠锄似蔓河抉机寅挽洲噶鸟筒胞授彻锐究鲍奶PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意【原因分析】I/O电路的大部分EMI问题来自于以下几个方面：（1）I/O电路元器件或I/O信号本身产生的共模噪声；（2）电源平面上的噪声耦合到I/O电路及导线上；（3）时钟信号容性耦合或感性耦合到I/O信号线或电缆上；（4）机壳地、数字地、模拟地等地之间不正确的连接；（5）混用不同的连接器（如将金属阴头连接器连接到阳头的塑料连接器等）；在本案例中，串行口所在PCB板的大致结构如下图纬噶拾姐蜂连聋膝扯赶啃嫁莲股窃哲恍印弹氛丫矽饵修辰闺

7、英彻又哉憎摧PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意享样抽赠鞭师兔猛钾郊辑秃鳞凑痕慎脯堵凋平考畏劲乓成豪祈嫁仓奶拭巳PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意把RJ45取下，剪断两根地针，再用一根约3CM长的细线引出PIN4脚（GND针）。一、细线悬空，100MHz处辐射为46dBV/m；二、细线接到机柜面板金属壳，100MHz处辐射为37dBV/m；三、将细线接到PCB板上的GND上，100MHz处辐射为57dBV/m；四、在上面基础上在磁珠后面加一个220pF的电容接到机柜的金属面板上，100MHz处辐射为432BV/m板亿腑缴哎预啃郧池妙窘酒舷恢精散瓤杠而践筹家约徽湿卡域层克秀议馋PCB设计-余洋

8、意PCB设计-余洋意五、将上面的电容去掉，电感直接接到面板上，100MHz处辐射为34dBV/m，即GND用磁珠与金属面板相连，也可以满足辐射发射要求六、在处理好GND线的基础上，接上RX、TX线号，100MHz处辐射为54dBV/m，说明RX、TX信号线也需要进行滤波去耦处理。RX、TX信号线上串接磁珠后，辐射下降4dB，加上磁珠并将220pF的电容接到金属面板上、100MHz处辐射为33dBV/m吏隶缓汞河陀钻眯镐愿驼垫盒广促晨纹储叶号业欣笛陶纸铆翼佛外详耙边PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意【处理措施】在上述对策过程中的“金属面板”实际上是用一小块铜箔胶带粘贴金屑面板上作为机柜金属面板

9、延伸出来的地。由于金属面板与机拒整体有良好的连接，相当于零噪声地，所以从金属面板延伸出来的地也是EMC意义上的“静地”。另外，串口电路密要考虑浪涌防护，根据先防护后滤波的原则，TVS需要加在电容与磁珠的前面。综上所述，可得到RS232串口员简单的滤波电路，如下图所示。缕腺涛升滦垦戊晴镶晤代蛮腹喊挛纠樊渔瞳盐尚寺吝躇常拙系葡诊克肝披PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意设计PCB时，“静地”与PCB板的连接仅通过磁珠连接。“静地”与金属面板的连接方式为：“静地”通过RJ45金属连接器外壳插针连接RJ45金属外壳，再通过RJ45外壳簧片连接金属面板，磁珠跨接GND和“静地”之间的分割线处。实际PCB

10、布局、布线如右图单节择搬液囤华脑毒采盲汽桥霄湍喊咒概酵狈敖滦冰葛斤货廓陋妹币搏滞PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意安装重新做好的PCB后再进行测试，辐射骚扰的测试频谱如下图，从图中可以看出，原来辐射很高的100MHz频点已经下降25db啊烧蝇糕活莱匹暂耳囚趁万宫育料鄂浸盲贿执韶蓉撕攀聊粳脓枯宏艰苟闺PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意【思考与启示】(1)RJ45连接器必须为金属外壳的连接器，RJ45安装面板处必须是金属。(2)“静地”的方法只有在内部PCB板GND存在很强的高频噪声的情况下，即串口接口内部电路地噪声较大的情况下使用。(3)“静地”面积不能太大，否则会使感应板内的噪声不能起到静

11、地的作用。(4)“静地”区域不能有电源平面、GND平面及任何其他非串口走线。(5)“静地”要与金属面板、RJ45连接器外壳相连接。(6)“静地”与板内的GND相连的磁珠必须跨接在GND与静地之间的分割处，TX、RX信号上的磁珠也要跨接在GND与“静地”之间的分割处。恃抑启叫茁貉萎伏撬脓单竞瑞窝酱智巾瞻聋诱瘪蛋序蝇攘烽吮授底帚搭堕PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意 (7)不得不提的是，设计“静地。一定要很小心，如果设计“静地”之后，两个被分割的地平面之间有相互通信的器件，就不适用“静地”并采用磁珠跨接在两地之间的方式。在这种情况下，设计良好的地等电位才是最好的出路，可降低共模压降，采用电容连接

12、才能弥补地分割后两地之间在高频下的电位差。(8)“静地”上必须不存在任何数字信号的回流，因此也称为“无噪声地”。“静地”应与机壳良好搭接，搭接阻抗(主要是电感)要尽可能地减小，可采取多点搭接方法，以保证“静地”和机壳具有相等的电位。“耪地”和数字地之间仍保持电气连接。连接器处的每条I/O线包括信号线和回流线都应分别并联高频旁路电容至“静地”，去铝环路的电感越小越好，如可用表面安装式电容，这样外部干扰，如静电、浪诵脉冲等如通过I/O线侵入，则还没有到达元器件区域时就被旁路电容旁路到设备的机壳上，从而保护了内部元器件的安全工作。同时，I/O线所携带的PCB共模干扰电流在输出前也通过旁路电容被旁路了

13、。筐而涪袍驱被源妈洲轧背贪犊梆氨脸嗣吸他载姓枫的贴党退园统耽昔走绕PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意【现象描述】某路由器产品，在实际使用当中，在遭受一次雷击事件后，发现以太网通信不正常。进一步检查发现是以太网口的物理层不能正常连接。测试发现，以太网PHY芯片的接收端已经对地短路。进一步检查发现布在PCB顶层的以太网接收线已经被烧断，这段PCB布线有明显的过流痕迹。以太网接收线被烧断后的连接示意图如下图：棚怯廖猖卫吠阿半权添窿挥戎燕发谦针督习幂电套趾帆坐忽阻籽钮泽膳墟PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意【原因分析】该产品的以太网接口PCB板布线情况是：RJ45到变压器之间的接收信号布在TOP层

14、，发送信号布BOTTOM层，RJ45是带有金属屏蔽的。据雷击现象的研究结果，雷击时产生的过电压、过电流首先会在屏蔽电缆的屏蔽层上，然后再通过屏蔽层与地影响内部电路。但是由于屏蔽金属外壳与PCB的间隙很小，雷击产生的大电流使网线的屏蔽层上出现很高的压降，而屏蔽电缆的屏蔽层与RJ45连接器的外壳是互连的，这样造成PCB上的以太网线接收信号线与RJ45的屏蔽金属外壳之间绝缘击穿。由于击穿回路的阻抗较小，故很大的雷电流通过删的布线将该信号线烧断。同时，信号线(地)击穿屏蔽层,在网线屏蔽层上的高共模电压部分转换为以太网信号线之间的差模电压，进而造成网口PHY芯片的损坏。通糯彦资千肃讳屏惧舜袜淡熊午观扮整

15、阳妄还阻仅唇猴弥镊速爪制看指耕PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意 在以太网接口中，由于网口变压器差模传输的特性可以作为共模雷击过电压、电流保护的隔离，在产生雷击时，网口屏蔽电缆上产生很高的共模电压。如果高压信号部分与其他低电压信号线之间的绝缘耐压不够，两者之间的电压超过本身的耐压能力后，就会造成击穿。击穿意味着电压、电流从高压处传向低压处后，将在信号线上形成很大的电流。击穿的现象包括电压、电流、阻抗等在不同的信号线上会有一定的不同。正由于这些不同导致将共模电压转换成差模电压，对于一定频率的差模信号，变压器失去了隔离的作用，高压就会顺利通过变压器传送到电路上去，造成后级电路的损坏。缠涂舆扰辽根

16、降把亏哼穿怖祖绽千绘敲巡气猪脂鹿郡替框靴滓尹忧姜突夏PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意 网口连接器RJ45的金属屏蔽壳包围着网口的四周。如果信号布线在TOP层，信号线与连接器的金属外壳之间的绝缘间隙就不能满足一定的耐压要求。因此，如果采用金属外壳的屏蔽网口连接器，则闯口连接器与变压器之间的信号线不能布在TOP层，否则必须做电压钳位型的共模保护或采用特殊的绝缘处理。滴君绢炙质听汝柱膊皱狗廷尿集邱赤姜掉输菊悦吃羊惊虑霸溅吊土眯撵耀PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意【处理措施】将以太网接口变压器初级的信号布线改布在PCB内层，以加强信号线与RJ45连接器外壳之间的绝缘强度。【思考与启示】如果产品

17、使用区域有可能发生雷击，而且由于其他原因使用以太网线及屏蔽连接器，故建议不要将以太网接口电路变压器初级的信号线布置在表层或底层。兢恃师郝信畜冻遁拇瘫延胶侄犊柜鲍名讽葛僚掂贴垢驮凤熬粹活四派赠贷PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意【现象描述】某家电产品采用塑料外壳，辐射发射超标，在问题定位过程中，用示波器及探头做成简易的近场探头对该产品进行问题定位：测试仪器：示波器 TDS784D(1GHz)探头 P6245(1.5GHz)测试方法：把探头和探头的地线相连，形成一个环状，犹如环状接收天线，探头与地线构成的接受环路如左图俱砍琢吝尉卑星颁觅登忆办嗣达弧贸畦窃以祈懒齐尸盎绢志镶摧俗能官捐PCB设计-余

18、洋意PCB设计-余洋意在测试中发现，当探头靠近该产品中PCB板上的晶振和其输出的时钟线时，辐射最大，探头靠近晶振时的噪声峰峰值如下图所示，而且峰峰值超过400mV。根据经验值，这个幅度偏大。杨钎淹养怖淄兜嫡撅绿舶莉声鸭摈祈阻逐柠卖注禾腾梦龙磺吊踢梨吏稍迎PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意【原因分析】晶振及其相应的时钟信号由于其周期特性、快上升沿的特性成为PCB板上的主要骚扰源之一，井有着丰富的谐波.晶体内部电路由于其特性会产生RF电流，且RF电流可能很大，以至于晶体的地引脚不能以很小的损耗充分地将这个很大的Ldi/dt电流引到地平面，导致金属外壳变成了单极天线。如果晶体是表贴器件，则由于表贴

19、器件常常是塑封的，放这时的情况会变得更糟糕。封装内产生的RF电流会辐射到空间，耦合到其他器件，PCB材料相对于晶体地引脚具有更高的阻抗，它将阻止RF电流进入地平面。就是这些原因使得本案例中的晶振引脚或品振周边邻近的空间产生较大的高频噪声。尾怕杭迸控盲扎叮旅雪砂帅郴离胖荷喘搜超赴贼庇肋瓮婆拦天觅乃糊腋秧PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意 晶振、晶体和所有的应用时钟的电路放在一个局部地平面上是一种降低晶振、晶体等时钟电路共模辐射的一种简单而有效的方法。局部地平面应该延伸到支持逻辑电路的下面，晶振下的局部地平面实例如下图：渐躁恨樟滇风诞缮您赴谍涂嫂败曳晦钡改锡各哩储儒侣蓄瞒编柿钾蛋删闽PCB设计-

20、余洋意PCB设计-余洋意【处理措施】(1)晶根下方表层设置局部地平面，并通过多个过孔与地层相连。(2)将原来布在表层的时钟线，改为布在第三层(6层板)。将修改后的PCB板安装在产品中，再用上述简易近场探头测试，测得结果如下图所示。峰-峰值在40mv左右。恳迢蘸擞图苔忆琐容肖夏让乞舶靴画鹊醛敝劣调锋仲觅佣掐檬耽岳晶敢酸PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意【思考与启示】(1)在多层板PCB设计中，建议在品振下方设置局部地平面。对于两层板，此方法显得更为重要。(2)6层以上的多层板表层或底层不允许长距离布时钟线。最大允许的表层时钟线长度为时钟信号波长的120。(3)晶振和驱动电路的下方及离这些电路3

21、00miI的距离内不能布信号线。柏罗弛鹰讣玉敷利刻黑没莎迟封嘎桔剐堂殿没拘纬藕校耘随骇锋战葡啦羊PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意【现象描述】某医疗设备进行辐射骚扰测试，医疗设备辐射发射频谱图如下图所示：趾舍钉兄铸湖氖阮席晤守警箭里骸野述购森殷偏魏胁寡绥坦愧纺蕴颈叁见PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意 测量超标频点尖蜂间隔221184Mb，与该系统中控制板中的晶振频率一样。经过测试还发现，该辐射并不是来自于晶振壳体的直接辐射，而是来自于连接在控制板上的串口线椽劫防份霍赫些江析敌毁洼舔颈吾鹤许躲役悸屁忠诬祁捶冷异搜踞涌帧于PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意【原因分析】该产品控制板的部分PC

22、B图如下图所示：舌巍蛰画顷沾傻莹加惨涸威递景妄空访萤釉游旨揣姨迎许吧致僵甄踊猾磊PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意 图中分别指示出了CPU、串口信号驱动芯片、品振、串口连接器及中口信号的走线路径。很明显，这个问题是由于串口信号的走线穿过了晶振下方，使得晶振所产生的谐波信号直接辐合到串口信号线上，串口信号线成为了晶振振荡信号谐波的裁体，而且串口信号线很长，包括串口电缆，这些都成为了很好的辐射天线，将晶振谐波信号带出PCB板。晶振的周边充满着近场辐射场。如果充满辐射场的范围内有器件或PCB走线，那么晶振及其谐波的RF信号将通过容性或感性的方式耦合到器件或PCB信号线上，即这些器件及信号线也带上R

23、F信号。颗昂疥疯勺泣赁颠味诀助瑞办淡僳佛友送论校晒夏厦始却摩挝墒习寡搔常PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意 当信号波长与导体的长度相当时会发生谐振，这时信号几乎可以100%转换成电磁场。对于本案例中设备的使用电缆来说，已足够成为一个很好的天线。如果假定导体是一个振子天线，就可以利用电缆长度与天线效率的关系图来帮助分析垮出粥府览烩抖厕雕奶钞城曳嘶炯恐烽抓虹践茁缮幅徽簇娟炮苑舍卞左苇PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意 图中右边的斜线给出了导体成为理想天线时导体的长度与频率的关系。很明显；在常用的频段内，即使很短的导体也能产生发射和抗扰度问题。可以看到，在100MHz处，1m长的导体就是很有效的

24、天线，在1GHz处，100mm的导体就成为很好的天线。图中间的斜线表示虽然导体没有成为高效的天线，但仍有可能引起问题的导体长度。左边的斜线表示导体的长度极短，其天线效应可忽赂的情况。珍哪耿科抛洛霓给脂逢在弊诣镭特支刃锰瘤僵更国党妄卢像妄咐所盘请塌PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意【处理措施】根据以上分析，晶振是一个噪声源，这一事实是没有办法改变的，RS32串口电缆是天线，这也是没有办法改变的事实。但是噪声源与“天线”之间耙合和驱动关系是可以改变或根除的，这也是设计时应该考虑到的。因此在本案例中，只要将串口信号线的走线远商晶振(实践证明300mtl以上的距离基本可以满足要求)，就可以得到满意的效果，且在试验中得到证实。绕逮剁氓烯曲鲸赁鄙底歇价化舷抉们航界插秀儒策拦仲捏帘尸狄承挞住戍PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意【思考与启示】(1)晶振属于强辐射器件，其下方及周边300mm内应该禁止走线，以免发生串扰。(2)当形成辐射的要素噪声源和天线都没有办法改变时，改变噪声源与天线的驱动关系，也是解决辐射问题的可行方式。前甩吾羌惹支边袱繁淄揽童鹅手彪挖铂卜泅翌划聘锭萌贿鸯氨暮酪赠阿侯PCB设计-余洋意PCB设计-余洋意