PCB板的设计中 ,随着频率的迅速提高 ,将出现与低频 PCB板设计所不同的诸多干扰 ,并且 ,随着频率的提高和PCB板的小型化和低成本化之间的矛盾日益突出 ,这些干扰越来越多也越来越复杂。在实际的研究中 ,我们归纳起来 ,主要有四方面的干扰存在,主要有电源噪声、传输线干扰、耦合、电磁干扰(EMI)四个方面。通过分析高频PCB的各种干扰问题,结合工作中实践,提出了有效的解决方案。
高频电中,电源所带有的噪声对高频信号影响尤为明显。因此,首先要求电源是低噪声的。在这里,干净的地和干净的电源同样重要,为什么呢?电源特性如图1所示。很明显,电源是具有一定的,并且是分布在整个电源上的,因此,噪声也会叠加在电源上。那么我们就应该尽可能地减小电源的,所以最好要有专有的电源层和接地层。在高频电设计中,电源以层的形式设计,在大多数情况下都比以总线的形式设计要好得多,这样回总可以沿着最小的径走。此外电源板还得为PCB上所有产生和接受的信号提供一个信号回,这样可以最小化信号回,从而减小噪声,这点常常为低频电设计人员所忽视。
1、注意板上通孔:通孔使得电源层上需要刻蚀开口以留出空间给通孔通过。而如果电源层开口过大,势必影响信号回,信号绕开,回面积增大,噪声加大。同时如果一些信号线都集中在开口附近,共用这一段回,公共将引发串扰。
2、连接线需要足够多的地线:每一信号需要有自己的专有的信号回,而且信号和回的环面积尽可能小,也就是说信号与回要并行。
3、模拟与数字电源的电源要分开:高频器件一般对数字噪音非常,所以两者要分开,在电源的入口处接在一起,若信号要跨越模拟和数字两部分的话,可以在信号跨越处放置一条回以减小环面积。
在PCB中只可能出现两种传输线:带状线和微波线,传输线最大的问题就是反射,反射会引发出很多问题,例如负载信号将是原信号与回波信号的叠加,增加信号分析的难度;反射会引起回波损耗(回损),其对信号产生的影响与加性噪声干扰产生的影响同样严重:
2、任何反射信号基本上都会使信号质量降低,都会使输入信号形状上发生变化。大原则上来说,解决的办法主要是匹配(例如互连应与系统的非常匹配)但有时候的计算比较麻烦,可以参考一些传输线的计算软件。
(a)、避免传输线的不连续性。不连续的点就是传输线突变的点,如直拐角、过孔等,应尽量避免。方法有:避免走线角或者弧线,大弯角也可以;尽可能少用过孔,因为每个过孔都是不连续点,外层信号避免通过内层,反之亦然。
(b)、不要用桩线。因为任何桩线都是噪声源。如果桩线短,可在传输线的末端端接就可以了;如果桩线长,会以主传输线为源,产生很大的反射,使问题复杂化,不要使用。
1、公共耦合:是一种常见的耦合通道即干扰源和被干扰设备往往共用某些导体(例如回电源、总线、场共模耦合将引起辐射源在由被干扰电形成的环和公共参考面上引起共模电压。如果占主要地位,在地回中产生的共模电压的值是Vcm=-(△B/△t)*面积(式中的△B=磁强度的变化量)如果是电,已知它的电场值时,其电压:Vcm=(L*h*F*E)/48,公式适用于L(m)=150MHz以下,超过这个,最大电压的计算可简化为:Vcm=2*h*E。
3、差模场耦合:指直接的辐射被导线对或电板上的引线及其回所接收.如果尽量靠近两根导线。这种耦合会大大减小,所以可以将两根导线绞在一起来减小干扰。
4、线间耦合(串扰)可以使任何线等于并联电间发生不希望有的耦合,严重的将大大损害系统的性能。其种类可分为容性串扰和感性串扰。前者是因为线间的寄生电容使得噪声源上的噪声通过电流的注入耦合到噪声接收线上;后者可以被想象成信号在一个不希望有的寄生变压器初次级间的耦合。感性串扰的大小取决于两个环的靠近程度和环面积的大小,及所影响的负载的。
PCB设计中消除串扰的方法有如下几种:1、两种串扰的大小均随负载的增大而增大,所以应对由串扰引起的干扰的信号线、尽可能地增大信号线间的距离,可以有效地减少容性串扰。进行接地层管理,在布线之间进行间隔(例如对有源信号线和地线进行隔离,尤其在状态发生跳变的信号线和地之间更要进行间隔)和降低引线、在相邻的信号线间插入一根地线也可以有效减小容性串扰,这根地线、对于感性串扰,应尽量减小环面积,如果允许的线、避免信号共用环。
6、关注信号完整性:设计者要在焊接过程中实现端接来解决信号完整性。采用这种办法的设计者可专注屏蔽用铜箔的微带长度,以便获得信号完整性的良好性能。对于在通信结构中采用密集连接器的系统,设计者可用一块PCB作端接。
随着速度的提升,EMI将变得越来越严重,并表现在很多方面上(例如互连处的电磁干扰),高速器件对此尤为,它会因此接收到高速的假信号,而低速器件则会忽视这样的假信号。
1、减小环:每个环都相当于一个天线,因此我们需要尽量减小环的数量,环的面积以及环的天线效应。确保信号在任意的两点上只有唯一的一条回径,避免人为环,尽量使用电源层。
2、滤波:在电源线上和在信号线上都可以采取滤波来减小EMI,方法有三种:去耦电容、EMI滤波器、磁性元件。
5、增加PCB板的介电,可防止靠近板的传输线等高频部分向外辐射;增加PCB板的厚度,尽量减小微带线的厚度,可以防止电磁线的外溢,同样可以防止辐射。