怎么樣才能對PCB布線和電磁兼容性實現(xiàn)設(shè)計約束

PCB布線對PCB的電磁兼容性影響很大，為了使PCB上的電路正常工作，應(yīng)根據(jù)本文所述的約束條件來優(yōu)化布線以及元器件/接頭和某些IC所用去耦電路的布局

（一）、PCB材料的選擇

通過合理選擇PCB的材料和印刷線路的布線路徑，可以做出對其它線路耦合低的傳輸線。當傳輸線導(dǎo)體間的距離d小于同其它相鄰導(dǎo)體間的距離時，就能做到更低的耦合，或者更小的串擾（見《電子工程專輯》2000年第1期"應(yīng)用指南"）。

設(shè)計之前，可根據(jù)下列條件選擇*經(jīng)濟的PCB形式：

對EMC的要求

印制板的密集程度

組裝與生產(chǎn)的能力

CAD系統(tǒng)能力

設(shè)計成本

PCB的數(shù)量

電磁屏蔽的成本

當采用非屏蔽外殼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)時，尤其要注意產(chǎn)品的整體成本/元器件封裝/管腳樣式、PCB形式、電磁場屏蔽、構(gòu)造和組裝），在許多情況下，選好合適的PCB形式可以不必在塑膠外殼里加入金屬屏蔽盒。

為了提高高速模擬電路和所有數(shù)字應(yīng)用的抗擾性同時減少有害輻射，需要用到傳輸線技術(shù)。根據(jù)輸出信號的轉(zhuǎn)換情況，S-VCC、S-VEE及VEE-VCC之間的傳輸線需要表示出來，如圖1所示。

信號電流由電路輸出級的對稱性決定。對MOS而言IOL=IOH,而對TTL而言IOL＞IOH.

功能/邏輯類型ZO(Ω)

電源（典型值）＜＜10

ECL邏輯50

TTL邏輯100

HC(T)邏輯200

表1：幾種信號路徑的傳輸線阻抗ZO。

邏輯器件類型和功能上的原因決定了傳輸線典型特征阻抗ZO，如表1所示。

圖1：顯示三種特定傳輸線的（數(shù)字）IC之間典型互聯(lián)圖

圖2：IC去耦電路。

圖3：正確的去耦電路塊

表2：去耦電容Cdec..的推薦值。

邏輯電路噪聲容限

（二）、信號線路及其信號回路

傳送信號的線路要與其信號回路盡可能靠近，以防止這些線路包圍的環(huán)路區(qū)域產(chǎn)生輻射，并降低環(huán)路感應(yīng)電壓的磁化系數(shù)。

一般情況下，當兩條線路間的距離等于線寬時，耦合系數(shù)大約為0.5到0.6，線路的有效自感應(yīng)從1μH/m降到0.4-0.5μH/m.

這就意味著信號回路電流的40％到50％自由地就流向了PCB上其它線路。

對兩個（子）電路塊間的每一塊信號路徑，無論是模擬的還是數(shù)字的，都可以用三種傳輸線來表示，如圖1所示，其中阻抗可從表1得到。

TTL邏輯電路由高電平向低電平轉(zhuǎn)換時，吸收電流會大于電源電流以，在這種情況下，通常將傳輸線定義在Vcc和S之間，而不是VEE和S之間。通過采用鐵氧體磁環(huán)可完全控制信號線和信號回路線上的電流。

在平行導(dǎo)體情況下，傳輸線的特征阻抗會因為鐵氧體而受到影響，而在同軸電纜的情況下，鐵氧體只會對電纜的外部參數(shù)有影響。

因此，相鄰線路應(yīng)盡可能細，而上下排列的則相反（通常距離小于1.5mm/雙層板中環(huán)氧樹脂的厚度）。布線應(yīng)使每條信號線和它的信號回路盡可能靠近（信號和電源布線均適用）。如果傳輸線導(dǎo)體間耦合不夠，可采用鐵氧體磁環(huán)。

（三）、IC的去耦

通常IC僅通過電容來達到去耦的目的，因為電容并不理想，所以會產(chǎn)生諧振。在大于諧振頻率時，電容表現(xiàn)得象個電感，這就意味著di/dt受到了限制。電容的值由IC管腳間允許的電源電壓波動來決定，根據(jù)資  深設(shè)計人員的實踐經(jīng)驗，電壓波動應(yīng)小于信號線*壞狀況下的噪聲容限的25％，下面公式可計算出每種邏輯系列輸出門電路的*佳去耦電容值：I=c?dV/dt

表2給出了幾種邏輯系列門電路在*壞情況下信號線噪聲的容限，同時還給出每個輸出級應(yīng)加的去耦電容Cdec.的推薦值。

圖4：PCB上環(huán)路的輻射

對快速邏輯電路來說，如果去耦電容含有很大串聯(lián)電感（這種電感也許是由電容的結(jié)構(gòu)、長的連接線或PCB的印制線路造成的），電容的值可能不再有用。這時則需要在盡可能靠近IC管腳的地方加入另外一個小陶瓷電容（100-100Pf）,與"LF-"去耦電容并聯(lián)。陶瓷電容的諧振頻率（包括到IC電源管腳的線路長度）應(yīng)高于邏輯電路的帶寬[1/(π.τr)],其中，τr是邏輯電路中電壓的上升時間。

如果每個IC都有去耦電容，信號回路電流可選擇*方便的路徑，VEE或者VCC，這可以由傳送信號的線路和電源線路間的互耦來決定。

在兩個去耦電容（每個IC一個）和電源線路形成的電感Ltrace之間，會形成串聯(lián)諧振電路，這種諧振只可以發(fā)生在低頻（＜1MHz＝或諧振電路的Q值較低（＜2＝的情況下。

通過將高射頻損耗扼流線圈串聯(lián)在Vcc網(wǎng)絡(luò)和要去耦的IC中，可使諧振頻率保持在1MHz以下，如果射頻損耗太低可通過并聯(lián)或串聯(lián)電阻來補償（圖2）。

扼流線圈應(yīng)該總是采用封閉的內(nèi)芯，否則它會成為一個射頻發(fā)射器或磁場鐵感應(yīng)器。

例如：1MHz*1μHzZ1=6.28ΩRs=3.14ΩQ<2Rp=12.56Ω

大于諧振頻率時，"傳輸線"的特征阻抗Z0（此時將IC的阻抗看作電源負載）等于：Z0=（Ltrace/Cdecoupling）的平方根

去耦電容的串聯(lián)電感和連接線路的電感對射頻電源電流分配沒有多大影響，比如采用了一個1μH扼流線圈的情況。但它仍然會決定IC電源管腳間的電壓波動，表3給出了電源信噪容限為25％時，推薦的*大電感值Ltrace.根據(jù)圖2所建議的去耦方法，兩個IC間的傳輸線數(shù)量從3條減少到了1條（見圖3）。

因此，對每個IC采用適當?shù)娜ヱ罘椒ǎ篖choke+Cdec.電路塊間就只需定義一條傳輸線。

對于τr<3ns的高速邏輯電路，與去耦電容串聯(lián)的全部電感必須要很低（見表3）。與電源管腳串聯(lián)的50mm印制線路相當于一個50hH電感，與輸出端的負載（典型值為50pF）一起決定了*小上升時間為3.2ns。如要求更快的上升時間，就必須縮短去耦電容的引腳。長度（*好無引腳）并縮短IC封裝的引腳，例如可以用IC去耦電容，或*好采用將（電源）管腳在中間的IC與很小的3E間距（DIL）無引腳陶瓷電容相結(jié)合等方法來達到這一目的，也可以用帶電源層和接地層的多層電路板。另外采用電源管腳在中間的SO封裝還可得到進一步的改善。但是，使用快速邏輯電路時，應(yīng)采用多層電路板。

（四）、根據(jù)輻射決定環(huán)路面積

無終點傳輸線的反射情況決定了線路的*大長度。由于對產(chǎn)品的EM輻射有強制性要求，因此環(huán)路區(qū)域的面積和線路長度都受到限制，如果采用非屏蔽外殼，這種限制將直接由PCB來實現(xiàn)。

注意：如果在異步邏輯電路設(shè)計中采用串聯(lián)端接負載，必須要注意會出現(xiàn)準穩(wěn)性，特別是對稱邏輯輸入電路無法確定輸入信號是高還是低，而且可能會導(dǎo)致非定義輸出情況。

圖3：正確的去耦電路塊。

對于頻域中的邏輯信號，頻譜的電流幅度在超出邏輯信號帶寬（=1/π.τr）的頻率上與頻率的平方成反比。用角頻率表示，環(huán)路的輻射阻抗仍隨頻率平方成正比。因而可計算出*大的環(huán)路面積，它由時鐘速率或重復(fù)速率、邏輯信號的上升時間或帶寬以及時域的電流幅度決定。電流波形由電壓波形決定，電流半寬時間約等于電壓的上升時間。

電流幅度可用角頻率（=1/π.τr）表示為：I(f)=2.I.τr/T

其中：I=為時域電流幅度；T=為時鐘速率的倒數(shù)，即周期；

τr為電壓的上升時間，約等于電流半寬時間τH。

從這一等式可計算出某種邏輯系列電路在某一時鐘速率下*大環(huán)路面積，表5給出了相應(yīng)的環(huán)路面積。*大環(huán)路面積由時鐘速率、邏輯電路類型（=輸出電流）和PCB上同時存在的開關(guān)環(huán)路數(shù)量n決定。

如果所用的時鐘速率超過30MHz，就必須要采用多層電路板，在這種情況下，環(huán)氧樹脂的厚度與層數(shù)有關(guān)，在60至300μm之間。只有當PCB上的高速時鐘信號的數(shù)量有限時，通過采用層到層的線路進行仔細布線，也可在雙層板上得到可以接受的結(jié)果。

注意：在這種情況下，如采用普通DIL封裝，則會超過環(huán)路面積的限制，一定要有另外的屏蔽措施和適當?shù)臑V波。

所有連接到其它面板及部件的連接頭必須盡可能相互靠近放置，這樣在電纜中傳導(dǎo)的共模電流就不會流入PCB電路中的線路，另外，PCB上參考點間的電壓降也無法激勵（天線）電纜。

為避免這種共模影響，必須使靠近接頭的參考地和PCB上電路的接地層、接地網(wǎng)格或電路參考地隔開，如果可能，這些接地片應(yīng)接到產(chǎn)品的金屬外殼上。從這個接地片上，只有高阻器件如電感、電阻、簧  片繼電器和光耦合器可接在兩個地之間。所有的接頭要盡可能靠近放置，以防止外部電流流過PCB上的線路或參考地。

（五）、電纜及接頭的正確選擇

電纜的選擇由流過電纜的信號幅度和頻率成分決定。對于位于產(chǎn)品外部的電纜來說，如果傳送10kHz以上時鐘速率的數(shù)據(jù)信號，則一定要用到屏蔽（產(chǎn)品要求），屏蔽部分應(yīng)在電纜的兩端連接到地（金屬外殼產(chǎn)品），這樣能確保對電場和磁場都進行屏蔽。

如果用的是分開接地，則應(yīng)連到"接頭地"而不是"電路地"。

如果時鐘速率在10kHz到1MHz之間，并且邏輯電路的上升時間盡可能保持低，將可以得到80％以上的光覆蓋或小于10Nh/m的轉(zhuǎn)移阻抗。如果時鐘速率超過1MHz時，就需要更好的屏蔽電纜。

通常，除同軸電纜外，電纜的屏蔽不應(yīng)用作為信號回路。

通過在信號輸入/輸出和地/參考點之間串入無源濾波器以減少射頻成分，可以不必采用高質(zhì)量屏蔽和相應(yīng)接頭。好的屏蔽電纜應(yīng)配備合適的連接頭。