解決EMI問題的辦法很多,現(xiàn)代的EMI抑制方法包括:利用EMI抑制涂層、選用合適的EMI抑制零配件和EMI仿真設(shè)計等。本文從最基本的PCB布板出發(fā),討論PCB分層堆疊在控制EMI輻射中的作用和設(shè)計技巧。電源匯流排在IC的電源引腳附近合理地安置適當(dāng)容量的電容,可使IC輸出電壓的跳變來得更快。然而,問題并非到此為止。由于電容呈有限頻率響應(yīng)的特性,這使得電容無法在全頻帶上生成干凈地驅(qū)動IC輸出所需要的諧波功率。除此之外,電源匯流排上形成的瞬態(tài)電壓在去耦路徑的電感兩端會形成電壓降,這些瞬態(tài)電壓就是主要的共模EMI干擾源。我們應(yīng)該怎么解決這些問題?就我們電路板上的IC而言,IC周圍的電源層可以看成是優(yōu)良的高頻電容器,它可以收集為干凈輸出提供高頻能量的分立電容器所泄漏的那部份能量。此外,優(yōu)良的電源層的電感要小,從而電感所合成的瞬態(tài)信號也小,進而降低共模EMI。當(dāng)然,電源層到IC電源引腳的連線必須盡可能短,因為數(shù)位信號的上升沿越來越快,最好是直接連到IC電源引腳所在的焊盤上,這要另外討論。為了控制共模EMI,電源層要有助于去耦和具有足夠低的電感,這個電源層必須是一個設(shè)計相當(dāng)好的電源層的配對。有人可能會問,好到什么程度才算好?問題的答案取決于電源的分層、層間的材料以及工作頻率(即IC上升時間的函數(shù))。通常,電源分層的間距是6mil,夾層是FR4材料,則每平方英寸電源層的等效電容約為75pF。顯然,層間距越小電容越大。
從IC芯片的發(fā)展及封裝形式來看,芯片體積越來越小、引腳數(shù)越來越多;同時,由于近年來IC工藝的發(fā)展,使得其速度也越來越高。這就帶來了一個問題,即電子設(shè)計的體積減小導(dǎo)致電路的布局布線密度變大,而同時信號的頻率還在提高,從而使得如何處理高速信號問題成為一個設(shè)計能否成功的關(guān)鍵因素。隨著電子系統(tǒng)中邏輯復(fù)雜度和時鐘頻率的迅速提高,信號邊沿不斷變陡,印刷電路板的線跡互連和板層特性對系統(tǒng)電氣性能的影響也越發(fā)重要。對于低頻設(shè)計,線跡互連和板層的影響可以不考慮,但當(dāng)頻率超過50 MHz時,互連關(guān)系必須考慮,而在*定系統(tǒng)性能時還必須考慮印刷電路板板材的電參數(shù)。因此,高速系統(tǒng)的設(shè)計必須面對互連延遲引起的時序問題以及串?dāng)_、傳輸線效應(yīng)等信號完整性(Signal Integrity,SI)問題。當(dāng)硬件工作頻率增高后,每一根布線網(wǎng)絡(luò)上的傳輸線都可能成為發(fā)射天線,對其他電子設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射或與其他設(shè)備相互干擾,從而使硬件時序邏輯產(chǎn)生混亂。電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)的標準提出了解決硬件實際布線網(wǎng)絡(luò)可能產(chǎn)生的電磁輻射干擾以及本身抵抗外部電磁干擾的基本要求。1 高速數(shù)字電路設(shè)計的幾個基本概念在高速數(shù)字電路中,由于串?dāng)_、反射、過沖、振蕩、地彈、偏移等信號完整性問題,本來在低速電路中無需考慮的因素在這里就顯得格外重要;另外,隨著現(xiàn)有電氣系統(tǒng)耦合結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,電磁兼容性也變成了一個不能不考慮的問題。要解決高速電路設(shè)計的問題,首先需要真正明白高速信號的概念。高速不是就頻率的高低來說的,而是由信號的邊沿速度決定的,一般認為上升時間小于4倍信號傳輸延遲時可視為高速信號。即使在工作頻率不高的系統(tǒng)中,也會出現(xiàn)信號完整性的問題。這是由于隨著集成電路工藝的提高,所用器件I/O端口的信號邊沿比以前更陡更快,因此在工作時鐘不高的情況下也屬于高速器件,隨之帶來了信號完整性的種種問題。
這里主要是說了從PCB設(shè)計封裝來解析選擇元件的技巧。元件的封裝包含很多信息,包含元件的尺寸,特別是引腳的相對位置關(guān)系,還有元件的焊盤類型。當(dāng)然我們根據(jù)元件封裝選擇元件時還有一個要注意的地方是要考慮元件的外形尺寸。引腳位置關(guān)系:主要是指我們需要將實際的元件的引腳和PCB元件的封裝的尺寸對應(yīng)起來。我們選擇不同的元件,雖然功能相同,但是元件的封裝很可能不一樣。我們需要保證PCB焊盤尺寸位置正確才能保證元件能正確焊接。焊盤的選擇:這個是我們需要考慮的比較多的地方。首先包括焊盤的類型。其類型包括兩種,一是電鍍通孔,一種是表貼類型。我們需要考慮的因素有器件成本、可用性、器件面積密度和功耗等因數(shù)。從制造角度看,表貼器件通常要比通孔器件便宜,而且一般可用性較高。對于我們一般設(shè)計來說,我們選擇表貼元件,不僅方便手工焊接,而且有利于查錯和調(diào)試過程中更好的連接焊盤和信號。其次我們還應(yīng)該注意焊盤的位置。因為不同的位置,就代表元件實際當(dāng)中不同的位置。我們?nèi)绻缓侠戆才藕副P的位置,很有可能就會出現(xiàn)一個區(qū)域元件過密,而另外一個區(qū)域元件很稀疏的情況,當(dāng)然情況更糟糕的是由于焊盤位置過近,導(dǎo)致元件之間空隙過小而無法焊接,下面就是我失敗的一個例子,我在一個光耦開關(guān)旁邊開了通孔,但是由于它們的位置過近,導(dǎo)致光耦開關(guān)焊接上去以后,通孔無法再放置螺絲了。
專業(yè)貼片SMT一個布局是否合理沒有判斷標準,可以采用一些相對簡單的標準來判斷布局的優(yōu)劣。最常用的標準就是使飛線總長度盡可能短。貼片SMT一般來說,飛線總長度越短,意味著布線總長度也是越短(注意:這只是相對于大多數(shù)情況是正確的,并不是完全正確);走線越短,走線所占據(jù)的印制板面積也就越小,布通率越高。在走線盡可能短的同時,還必須考慮布線密度的問題。如何布局才能使飛線總長度最短并且保證布局密度不至于過高而不能實現(xiàn)是個很復(fù)雜的問題。因為,調(diào)整布局就是調(diào)整封裝的放置位置,一個封裝的焊盤往往和幾個甚至幾十個網(wǎng)絡(luò)同時相關(guān)聯(lián),減小一個網(wǎng)絡(luò)飛線長度可能會增長另一個網(wǎng)絡(luò)的飛線長度。如何能夠調(diào)整封裝的位置到最佳點實在給不出太實用的標準,實際操作時,主要依靠設(shè)計者的經(jīng)驗觀查屏幕顯示的飛線是否簡捷、有序和計算出的總長度是否最短。飛線是手工布局和布線的主要參考標準,手工調(diào)整布局時盡量使飛線走最短路徑,手工布線時常常按照飛線指示的路徑連接各個焊盤。Protel的飛線優(yōu)化算法可以有效地解決飛線連接的最短路徑問題。飛線的連接策略Protel提供了兩種飛線連接方式供使用者選擇:順序飛線和最短樹飛線。在布線參數(shù)設(shè)置中的飛線模式頁可以設(shè)置飛線連接策略,應(yīng)該選擇最短樹策略。動態(tài)飛線在有關(guān)飛線顯示和控制一節(jié)中已經(jīng)講到: 執(zhí)行顯示網(wǎng)絡(luò)飛線、顯示封裝飛線和顯示全部飛線命令之一后飛線顯示開關(guān)打開,執(zhí)行隱含全部飛線命令后飛線顯示開關(guān)關(guān)閉。