印制電路板的電磁兼容問題
印制電路板(PCB)易于制造,性能可靠,價格便宜,因此廣泛地應用于各種電子設備中。近年來,隨著電子技術(shù)的發(fā)展,印制電路板上微處理器和邏輯電路中的(時鐘)速率越來越快,信號的上升/下降時間越來越短,同時,板上器件密度和布線密度不斷增加,印制電路板的電磁兼容問題變得日益突出。
在電磁兼容層面分析印制電路板,要考慮三個基本問題:
● 保證信號在板上可靠地傳輸,確保信號的完整性(Signal Integrity);
● 抑制電磁干擾(EMI)的傳播;
● 加強防護,防止因為抗擾度不足引起靈敏度故障(Susceptibility Failure)。
對于相對低頻的信號(信號的頻譜上限為100MHz) ,通??梢圆豢紤]上述的問題。 但是當信號波長(λ)與信號線長度(l)可相互比擬時(l≥0.1λ) ,就需要考慮印制線的幾何尺寸,布線,線間間隔以及傳輸信號的上升,下降時間,脈沖寬度與周期等因素,以致需要用傳輸線理論(在某些場合需要用微波理論)來正確地分析信號的傳播。
印制電路板上的印制線通常可以用微帶線或帶狀線模型來模擬。微帶線模型由介質(zhì)基片一邊的導體帶和基片另一邊的金屬接地板構(gòu)成,它可用來模擬PCB 表面層的印制導線。帶狀線模型由上下接地導體和中間導體帶構(gòu)成,接地板和導體帶之間是絕緣介質(zhì),它可以模擬多層PCB中間層的印制導線。
1 信號完整性
PCB上的信號完整性問題主要包括時延,阻抗不匹配,地彈跳(Ground Bounce) ,串音等。信號完整性問題會影響電子器件的穩(wěn)定工作。
1) 信號時延:對于高頻信號,傳輸時延應該是電路設計者考慮的*基本的問題之一。傳輸時延與信號線的長度,信號傳輸速度的關系如下:
式中:c 真空中的光速;εreff 有效的相對電導率;lp信號線的長度。
εreff與傳輸線周圍介質(zhì)有關,對于微帶傳輸線來說, εreff介于板的相對電導率與空氣相對電導率之間,在大多數(shù)系統(tǒng)中,信號傳輸線長度是影響時鐘脈沖相位差(clock skew)的*直接因素.時鐘脈沖相位差是指同時產(chǎn)生的兩個時鐘信號,到達接收端的時間不同步,時鐘脈沖相位差降低了信號沿到達的可預測性,如果時鐘脈沖相位差太大,會在接收端產(chǎn)生錯誤的信號,如圖1所示.傳輸線時延已經(jīng)成為時鐘脈沖周期(Clock Cycle)中的重要部分。
圖1 傳輸時延對信號地影響
2) 阻抗不匹配:阻抗不匹配可以由驅(qū)動源,傳輸線和負載的阻抗不同引起,也可由傳輸線的不連續(xù)(例如導通孔,短截線)引起,另外由于返回路徑上局部電感,電容的變化,返回路徑不連續(xù)也會導致阻抗不連續(xù)。這種阻抗的不匹配,會導致反射和阻尼振蕩。反射會引起信號的振鈴(Ringing)現(xiàn)象,即在穩(wěn)態(tài)信號上下產(chǎn)生的電壓過沖和下沖現(xiàn)象,如圖2 所示。為了將電壓的過沖/下沖限制在合理的范圍內(nèi)(不超出穩(wěn)態(tài)值的10%-15%) ,應該遵循下面這樣一個原則:信號的上升時間要小于信號在印制導線上來回引起的傳輸時延。即:
tr≤2lp/tppd
式中:tr 指信號的上升時間;lp 信號線的長度;tppd 信號線單位長度引起的延時。
振鈴現(xiàn)象可能會導致誤觸發(fā),為了消除振鈴現(xiàn)象的影響,方法之一就是等待信號穩(wěn)定下來,但這又會減小系統(tǒng)*大可能的時鐘速率。
圖2 反射引起的振鈴現(xiàn)象
3) 地彈跳(Ground Bounce):所謂地彈跳,是指在某一集成電路開關時,由于PCB 的地線以及集成電路的接地引線具有一定的電感,相應會引起器件內(nèi)部地電位短暫的沖擊或下降。而來自其它器件的輸入驅(qū)動信號,或者由此器件輸出信號所驅(qū)動的其他器件,都是以外部系統(tǒng)地為參考的。這種參考地電位的不一致,可能會導致器件的輸入門檻或輸出電平的改變,從而給高速PCB 的設計帶來問題。對于電源來說,也存在類似的問題。
4) 串音:通常可分為兩部分,即公共阻抗耦合和電磁場耦合。公共阻抗耦合是因為不同信號共用公共返回路徑引起的,這種耦合通常在低頻時起決定作用。電磁場耦合又可分為電感耦合與電容耦合。串音屬于近場問題,在PCB上,串音與線的長度,線的間距,線中傳輸信號的方向以及參考地平面的狀況有關。例如地平面上的裂縫(Split)會使跨越裂縫的鄰近線路的串音增加,引起信號波形畸變。
2 減小傳導發(fā)射和輻射發(fā)射
電磁干擾問題主要包括傳導發(fā)射和輻射發(fā)射問題。電磁兼容中所謂的發(fā)射,是指"從源向外發(fā)出電磁能的現(xiàn)象",與一般通信領域中人為的向外發(fā)射電磁波不同,PCB 中的發(fā)射常常是無意的。輻射發(fā)射標準通常覆蓋30MHz-1GHz的范圍,在不久的將來將擴展至5-40GHz。對于傳導發(fā)射,F(xiàn)CC將范圍限制在0.45-30MHz ,而CISPR 將下限延伸0.15MHz。
濾波是抑制傳導發(fā)射的一種重要方法。對離開PCB 板的信號線進行濾波,可以抑制傳導發(fā)射的傳播。
高頻時,PCB 上的印制線就像一個單極天線(Mono-pole Antennas)或環(huán)形天線(Loop Antennas) ,向外輻射能量。輻射發(fā)射可以分為兩種基本類型:差模輻射和共模輻射。
差模輻射是由于閉合環(huán)路中的電流(即所謂的差模電流)引起的。輻射的強度與環(huán)的面積,電流的大小及頻率的平方成正比。通過減小上述因素,尤其是頻率,可以減小輻射的強度。另外,環(huán)的輻射具有方向性,一個小電流環(huán)的電場輻射值在環(huán)所處的平面上*大,而在環(huán)的軸向上*小。
共模輻射是由寄生效應,例如地線層,電源層或電纜上的感應電流(所謂的共模電流)引起的。共模輻射與一個單極天線類似,輻射的強度與單位線長中的電流及頻率有關,但對方向不敏感。
由于差模電流產(chǎn)生的輻射是相減的,而共模電流產(chǎn)生的輻射是相加的,所以即使共模電流比差模電流小的多,也會產(chǎn)生程度相當?shù)妮椛鋱?。例如,長為1m的電纜,其中間距為1.2mm的兩導線中流有30MHz,20mA的差模電流,會在3m外產(chǎn)生100uV/m輻射電場,而對共模電流來說,只需要8uA的電流就能產(chǎn)生同樣程度的輻射。 在進行遠場分析時,必須考慮共模輻射。
3 加強防護
防護的強度,隨產(chǎn)品的用途而定。對于無關緊要的電子產(chǎn)品,就不需要專門的防護。而對于**的電子產(chǎn)品及用于電廠與電網(wǎng)控制的電子設備,就需要加以*高等級的防護,因為即使是在極端情況下,也要保證這些設備能正常工作。
4 結(jié)論
在設計印制電路板時,必須考慮電磁兼容問題,以確保設計功能的實現(xiàn)。在高頻時,簡單的電路模擬可能不再適用,而需要用傳輸線理論或微波理論來分析遇到的問題。