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印制电路板干扰因素


印制电路板(PCB)设计中的干扰因素

在信息化技术不断发展的今天,电子产品的功能、种类、构造等都越发复杂,促使PCB设计逐渐多层次化和高密度化,PCB设计里的电磁兼容性问题也备受重视与关注。电磁兼容性(EMC)设计不仅能确保PCB板上所有电路均正常、稳定工作,不相互干扰,还能有效降低PCB对外的辐射发射以及传导发射,确保PCB电路不受外部辐射与传导干扰。故研究基于PCB设计的电磁兼容性十分重要。

一、PCB干扰种类

PCB干扰主要有三种,一是布局类干扰,通常是PCB板上元件放置位置不合适产生的干扰;二是板层类干扰,通常是由于不科学设置造成的噪声干扰;三是走线类干扰,通常是PCB信号线、电源线以及地线的线距离或是线宽度设置不合理或是PCB布线方法不当等造成的干扰。就PCB干扰类型来说,可分别采取布局规则、分层对策、走线规则抑制措施,削弱甚至是消除PCB设计受干扰的影响,确保符合电磁兼容性设计标准。

二、PCB干扰种类的对应抑制对策

2.1布局类干扰的抑制对策

要抑制布局类干扰必须确保PCB布局合理,PCB布局应遵循以下六点:一是根据信号流通位置合理设置每个功能模块的电路位置,尽量确保方向一致;二是布局中心锁定为模块电路的核心元件,尽可能缩减各个元器件间尤其是高频器件之间的引线;三是集成热敏元件、芯片等的时候必须远离发热元件;四是结合PCB板上元器件的位置确定连接器位置,尽量将连接器放置在PCB板一侧,防止电缆从两侧引出,降低共模电流辐射;五是I/0驱动器要和连接器紧紧靠在一起,防止板上I/O信号长距离走线;六是如若是敏感元器件则不能靠太近,输出和输入元件要远离。

2.2板层类干扰的抑制对策

首先,应掌握电路板设计信息,综合考虑信号线密集程度、电源和地种类等因素,以此确定保障电路功能需要的电源和布线层数。分层对策的好坏对接地层或是电源层的瞬态电压以及电源与信号的电磁场屏蔽有重要影响。根据实践经验给出总分层对策,接地层和电源层应相邻且两者间距尽量小,信号层要紧挨接地层或是电源层使用一层或多层。在设计单双层板的时候要重点设计电源线与信号线。为缩减电源电流的回路面积,地线和电源线间要紧邻且保持平行。就单层板来说,应在重要信号线两边设置保卫地线,一来缩减信号回路面积,二来避免信号线和与信号线间出现串扰。就双层板来说,也可以设置保卫地线,或是在重要信号线的投影平面上进行大面积铺地。单双层板的制造和装配调试虽然简单方便,但若是如数字电路以及数模混合电路等较复杂的PCB是不适合使用的。因为缺乏参考平面,辐射会随着环路面积的增加而增强,平行走线也很难避免。

如若成本足够,建议采用多层板。在设计多层板时要遵循三点:一是如总线、时钟线等辐射强或是敏感度高的重要信号线,布线最好在两地层间或是和地层紧邻的信号层,布线接近地平面便于缩减信号回路面积,减小辐射强度,强化抗干扰能力。二是确保边缘辐射得到有效控制,与相邻地平面相比电源平面需要向内缩减5~20H(H为介质厚度);三是如果底层和顶层有高频信号线,需要把高频信号线走在顶层和地层之间,抑制高频信号线对空间的辐射。

2.3走线类干扰的抑制措施

PCB走线需要遵循六点原则:一是输出端和输入端导线要尽可能防止相邻长距离平行,可通过在走线间插地线或是增加线条间距的方式降低平行串扰;二是不能突然改变走线宽度,如若要拐角,拐弯的地方通常走圆弧或是135。;三是载流回路对外辐射随着环路面积,通过电流以及信号频率的增加(减少)而增加(减少),故应缩减电流流通时的导线环路面积;四是缩短导线长度增加其宽度,便于降低导线阻抗;五是为保同层相邻线路间的噪声耦合以及串扰达到最小,需在线间做隔离处理,确保布线分离;六是设置分流隔离关键信号,设置保护路线保护关键信号。此外,信号线、电源线和地线走线的时候,不仅要遵循走线准则,还要结合自身特点和功能实施布线。

(1)公共地线尽可能在PCB板边缘布置,最好呈网状或是环状;接地线要尽可能粗,地线要多使用铜箔,强化屏蔽效果;模拟地要和数字地分离,模拟地理的低频地要多使用单点开联,具体布线有问题时可以考虑部分串联然后再并联,高频地最好使用多点串联。(2)尽可能增加电源线宽度,削弱环路电阻,确保地线和电源线走向同数据传递走向保持一致。如若是多层PCB,要缩减电源线到地层或是电源层的长度。尽量让电源给各个功能单元单独供电,由公共电源供电的电路尽量做到彼此接近和互相兼容。(3)信号线尽可能短,确保削弱干扰信号耦合路径。应先布置时钟信号线和敏感信号线,接着布置高速信号线,最后再布置非重要信号线。如若信号线之间不相容,就应做隔离处理,防止形成耦合干扰。关键信号线走线时不能跨越分隔区,即便是焊盘和过孔造成的参考平面间隙也不行,不然会增加信号回路面积。同时,为抑制边缘辐射,关键信号线距离参考平面边沿的距离不能小于3H(H表示关键信号线距离参考平面的高度)。敏感及强辐射信号线应距离接口外出信号线较远,防止信号线之间形成耦合干扰,减少系统误操作以及向外辐射。差分信号线长度要一样,处于同一层,并行走线,确保阻抗一样,线之间不存在其他走线,保证共模阻抗一样,强化其抗干扰性能。

总结

综上所述,结合电磁兼容预测分析得出的结论,对于不同种类的干扰应采取相应的技术措施进行抑制,才能有效提升PCB的设计质量和水平。刚开始设计产品的时候就使用仿真软件对PCB实施电磁兼容预测分析,基本上能分析出PCB设计的电磁兼容性能,便于后续PCB设计的科学分层、适当布局以及合理走线。总之,基于PCB的电磁兼容性设计是一项技术性和实践性都很强的工作,在具体设计时必须综合考虑性能指标要求、功能模块分布等多方面因素,同时做好预测分析和相应抑制对策,这样才能有效保障设计质量。

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