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PCB电路板级设计中控制共模辐射EMI的主要步骤

2014-02-063100安规与电磁兼容网

旁路和去耦电容

由于导线电感及其它寄生参数的影响,电源及其供电导线响应速度慢,从而使电路中驱动器件输出所需要的电流不足。合理地放置旁路或去耦电容,能在电源响应之前,利用电感和电容的储能作用为器件提供电流。旁路或去耦电容的数值介于小和中等之间。

中等数值的电容通常在4.7uF到25uF之间,其位置在电源线和地线进入PCB处为佳。在电路板上耗电较多的器件,如处理器、微控制器等,周围也应当放置中等数值的电容。

数值小的电容能为IC提供高频电流,有时将其称为“瞬态开关电容”。在器件输出端高低电平跳变时,它能为器件输出高速充电,与电源层的分布电容一起为器件提供充电电流。充电电流的频率通常很高。

要获得最佳的EMI控制效果,应在每组电源和地引脚上都安装一个电容。如果器件的电源和地引脚相距很远(如TTL的74系列的地和电源引脚分布在对角线上),就没有合适的位置放置电容,因而难以将电源层的电感降低到维持低瞬时开关电压的水平。可能的话,要尽量选用具有成对电源和接地引脚的IC。集成电路制造业界已经开始对引脚电感问题进行深入的研究,尽管很多IC厂商都忽视这个问题。

旁路/去耦电容的数值及物理尺寸对于确定旁路/去耦电容的工作频率十分重要,这些参数的计算超出了本文讨论的范围,但设计工程师应当深入地了解这个问题。例如,现在对大部分电路来说,采用0.1mF的电容已不能达到足够高的开关频率。

器件位置、布局和布线

器件布局一直按照功能和器件类型来对元器件进行分组,例如,对既存在模拟电路,又存在数字器件的电路板,还可将器件按工作电压、频率进行分组布局;对给定的产品系列或电源电压时,可按功能对器件进行分组。

器件分组布局完毕后,必须根据元器件组电源电压的差别,将电源层布置在各器件组的下方。如果有多层地,那么就必须把数字地层紧贴数字电源层,模拟地紧贴模拟电源层,模拟地和数字地要有一个共地点。通常,电路中存在A/D或D/A器件,这些转换器件同时由模拟和数字电源供电,因此要将转换器放置在模拟电源和数字电源之间。

如果数字地和模拟地是分开的,它们将在转换器汇合。当电路板按照器件系列和电源电压分组时,组内信号的传送不能跨越另外的器件组,如果信号跨过界限,就不能与其回流路径紧密耦合,这样会增大电路的环路面积,从而使电感增加,电容减小,进而导致共模和差模EMI的增加。电路板设计过程中要避免出现各种隔离带。虽然相距很近的一排通孔并不违反设计规则,但是,在电源层和地层上过多的通孔有时相当于开出一条隔离带,要避免在该区域内布线,例如,当一个3ns的信号回路如果偏离其信号源路径0.40英寸,则过冲/欠冲和感生串扰会大增,足以使电路工作出现异常,并同时增加差模和共模EMI。

结论

本文介绍的技术对抑制EMI辐射很重要,它们是电磁兼容设计的基础。除了上述技术,要真正掌握抑制EMI的方法,还必须全面了解电子滤波、机械屏蔽以及其它PCB设计技术。
 

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