PCB設(shè)計余洋意課件

第六章

PCB設(shè)計（PrintedCircuitBoard），中文名稱為印制電路板，又稱印刷電路板、印刷線路板，是重要的電子部件，是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的提供者。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的，故被稱為“印刷”電路板。PCB1概論

1.1PCB是一個完整產(chǎn)品的縮影

環(huán)路的存在也是抗干擾問題存在的原因之一，因為這些環(huán)路都是接收天線單匝環(huán)路中感應(yīng)的電壓：V=A?Db/dt式中，A是回路面積；B是垂直于回路平面的磁通密度。作為數(shù)字電子工程師，要盡可能的減小環(huán)路1.3PCB中的數(shù)字電路中存在大量的磁場1.4PCB中不但存在大量的天線而且也是驅(qū)動源當(dāng)帶有高速信號的PCB印制線的長度與信號的波長可比擬時，PCB可以直接通過自由空間直接輻射能量，或即使印制線的長度遠小于信號的波長，地平面上的共模壓降將驅(qū)動與其連接的電纜通過電纜向外輻射能量。對于被共模電壓驅(qū)動的共模輻射來說，降低驅(qū)動電壓是最簡單可行的印制技術(shù)。RF驅(qū)動電壓存在的原因是：（1）電路走線阻抗；（2）地彈；（3）用來降低無用天線驅(qū)動電壓的旁路或屏蔽。為減小PCB上的輻射效率，需要采取EMC設(shè)計和抑制措施，除了屏蔽外，還包括建立良好的接地系統(tǒng)、合理的布線布局、恰當(dāng)?shù)倪x擇濾波器。其中在PCB板上，由于地阻抗總是較低，所以大部分電流將從PCB板中的工作地上流過。當(dāng)干擾共模電流流過PCB板時，如果在兩個邏輯電路之間的地阻抗過大，將影響邏輯電路的正常工作。圖2是PCB板中完整地平面概率與阻抗的關(guān)系。圖2PCB板中完整地平面平率與阻抗的關(guān)系由圖2可知，一個完整的地平面，在100MHz的頻率時，也只會產(chǎn)生0.3V的壓降，這對于3.3V的TTL電平電路來說是可以承受的。因為3.3V的TTL電平總是要在0.4V以上的電壓下才會發(fā)生邏輯轉(zhuǎn)換，這已經(jīng)是具有相當(dāng)抗干擾能力了。圖33.3V的TTL電平邏輯關(guān)系2相關(guān)案例

案例1：“靜地”的作用【現(xiàn)象描述】

某產(chǎn)品采用屏蔽結(jié)構(gòu)機柜，面板上有一個用來監(jiān)控的RS232串口，使用RJ45連接器，串口電路在控制板上。該串口通過一根編織屏蔽的屏蔽電纜與本產(chǎn)品中的AC/DC電源模塊的告警串口相連接。串口線長度是1.5m，但它在100MHz處產(chǎn)生的輻射異常強烈，超出了EN55022CLASSB限制15dB以上，下圖為輻射騷擾測試頻譜圖：把RJ45取下，剪斷兩根地針，再用一根約3CM長的細線引出PIN4腳（GND針）。一、細線懸空，100MHz處輻射為46dBV/m；二、細線接到機柜面板金屬殼，100MHz處輻射為37dBV/m；三、將細線接到PCB板上的GND上，100MHz處輻射為57dBV/m；四、在上面基礎(chǔ)上在磁珠后面加一個220pF的電容接到機柜的金屬面板上，100MHz處輻射為432BV/m五、將上面的電容去掉，電感直接接到面板上，100MHz處輻射為34dBV/m，即GND用磁珠與金屬面板相連，也可以滿足輻射發(fā)射要求六、在處理好GND線的基礎(chǔ)上，接上RX、TX線號，100MHz處輻射為54dBV/m，說明RX、TX信號線也需要進行濾波去耦處理。RX、TX信號線上串接磁珠后，輻射下降4dB，加上磁珠并將220pF的電容接到金屬面板上、100MHz處輻射為33dBV/m設(shè)計PCB時，“靜地”與PCB板的連接僅通過磁珠連接。“靜地”與金屬面板的連接方式為：“靜地”通過RJ45金屬連接器外殼插針連接RJ45金屬外殼，再通過RJ45外殼簧片連接金屬面板，磁珠跨接GND和“靜地”之間的分割線處。實際PCB布局、布線如右圖安裝重新做好的PCB后再進行測試，輻射騷擾的測試頻譜如下圖，從圖中可以看出，原來輻射很高的100MHz頻點已經(jīng)下降25db【思考與啟示】

(1)RJ45連接器必須為金屬外殼的連接器，RJ45安裝面板處必須是金屬。

(2)“靜地”的方法只有在內(nèi)部PCB板GND存在很強的高頻噪聲的情況下，即串口接口內(nèi)部電路地噪聲較大的情況下使用。

(3)“靜地”面積不能太大，否則會使感應(yīng)板內(nèi)的噪聲不能起到靜地的作用。

(4)“靜地”區(qū)域不能有電源平面、GND平面及任何其他非串口走線。

(5)“靜地”要與金屬面板、RJ45連接器外殼相連接。

(6)“靜地”與板內(nèi)的GND相連的磁珠必須跨接在GND與靜地之間的分割處，TX、RX信號上的磁珠也要跨接在GND與“靜地”之間的分割處。案例2PCB布線不合理造成網(wǎng)口雷擊損壞【現(xiàn)象描述】

某路由器產(chǎn)品，在實際使用當(dāng)中，在遭受一次雷擊事件后，發(fā)現(xiàn)以太網(wǎng)通信不正常。進一步檢查發(fā)現(xiàn)是以太網(wǎng)口的物理層不能正常連接。測試發(fā)現(xiàn)，以太網(wǎng)PHY芯片的接收端已經(jīng)對地短路。進一步檢查發(fā)現(xiàn)布在PCB頂層的以太網(wǎng)接收線已經(jīng)被燒斷，這段PCB布線有明顯的過流痕跡。以太網(wǎng)接收線被燒斷后的連接示意圖如下圖：【原因分析】

該產(chǎn)品的以太網(wǎng)接口PCB板布線情況是：RJ45到變壓器之間的接收信號布在TOP層，發(fā)送信號布BOTTOM層，RJ45是帶有金屬屏蔽的。據(jù)雷擊現(xiàn)象的研究結(jié)果，雷擊時產(chǎn)生的過電壓、過電流首先會在屏蔽電纜的屏蔽層上，然后再通過屏蔽層與地影響內(nèi)部電路。但是由于屏蔽金屬外殼與PCB的間隙很小，雷擊產(chǎn)生的大電流使網(wǎng)線的屏蔽層上出現(xiàn)很高的壓降，而屏蔽電纜的屏蔽層與RJ45連接器的外殼是互連的，這樣造成PCB上的以太網(wǎng)線接收信號線與RJ45的屏蔽金屬外殼之間絕緣擊穿。由于擊穿回路的阻抗較小，故很大的雷電流通過刪的布線將該信號線燒斷。同時，信號線(地)擊穿屏蔽層,在網(wǎng)線屏蔽層上的高共模電壓部分轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信號線之間的差模電壓，進而造成網(wǎng)口PHY芯片的損壞。

在以太網(wǎng)接口中，由于網(wǎng)口變壓器差模傳輸?shù)奶匦钥梢宰鳛楣材＠讚暨^電壓、電流保護的隔離，在產(chǎn)生雷擊時，網(wǎng)口屏蔽電纜上產(chǎn)生很高的共模電壓。如果高壓信號部分與其他低電壓信號線之間的絕緣耐壓不夠，兩者之間的電壓超過本身的耐壓能力后，就會造成擊穿。擊穿意味著電壓、電流從高壓處傳向低壓處后，將在信號線上形成很大的電流。擊穿的現(xiàn)象包括電壓、電流、阻抗等在不同的信號線上會有一定的不同。正由于這些不同導(dǎo)致將共模電壓轉(zhuǎn)換成差模電壓，對于一定頻率的差模信號，變壓器失去了隔離的作用，高壓就會順利通過變壓器傳送到電路上去，造成后級電路的損壞?！咎幚泶胧?/p>

將以太網(wǎng)接口變壓器初級的信號布線改布在PCB內(nèi)層，以加強信號線與RJ45連接器外殼之間的絕緣強度?！舅伎寂c啟示】

如果產(chǎn)品使用區(qū)域有可能發(fā)生雷擊，而且由于其他原因使用以太網(wǎng)線及屏蔽連接器，故建議不要將以太網(wǎng)接口電路變壓器初級的信號線布置在表層或底層。案例3局部地平面與強輻射器件【現(xiàn)象描述】某家電產(chǎn)品采用塑料外殼，輻射發(fā)射超標(biāo)，在問題定位過程中，用示波器及探頭做成簡易的近場探頭對該產(chǎn)品進行問題定位：測試儀器：示波器TDS784D(1GHz)探頭P6245(1.5GHz)測試方法：把探頭和探頭的地線相連，形成一個環(huán)狀，猶如環(huán)狀接收天線，探頭與地線構(gòu)成的接受環(huán)路如左圖在測試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)探頭靠近該產(chǎn)品中PCB板上的晶振和其輸出的時鐘線時，輻射最大，探頭靠近晶振時的噪聲峰峰值如下圖所示，而且峰峰值超過400mV。根據(jù)經(jīng)驗值，這個幅度偏大。

晶振、晶體和所有的應(yīng)用時鐘的電路放在一個局部地平面上是一種降低晶振、晶體等時鐘電路共模輻射的一種簡單而有效的方法。局部地平面應(yīng)該延伸到支持邏輯電路的下面，晶振下的局部地平面實例如下圖：【處理措施】

(1)晶根下方表層設(shè)置局部地平面，并通過多個過孔與地層相連。

(2)將原來布在表層的時鐘線，改為布在第三層(6層板)。將修改后的PCB板安裝在產(chǎn)品中，再用上述簡易近場探頭測試，測得結(jié)果如下圖所示。峰---峰值在40mv左右?！舅伎寂c啟示】

(1)在多層板PCB設(shè)計中，建議在品振下方設(shè)置局部地平面。對于兩層板，此方法顯得更為重要。(2)6層以上的多層板表層或底層不允許長距離布時鐘線。最大允許的表層時鐘線長度為時鐘信號波長的1／20。(3)晶振和驅(qū)動電路的下方及離這些電路300miI的距離內(nèi)不能布信號線。【現(xiàn)象描述】

某醫(yī)療設(shè)備進行輻射騷擾測試，醫(yī)療設(shè)備輻射發(fā)射頻譜圖如下圖所示：案例4PCB走線是如何將晶振輻射帶出的

測量超標(biāo)頻點尖蜂間隔22．1184Mb，與該系統(tǒng)中控制板中的晶振頻率一樣。經(jīng)過測試還發(fā)現(xiàn)，該輻射并不是來自于晶振殼體的直接輻射，而是來自于連接在控制板上的串口線【原因分析】該產(chǎn)品控制板的部分PCB圖如下圖所示：

圖中分別指示出了CPU、串口信號驅(qū)動芯片、品振、串口連接器及中口信號的走線路徑。很明顯，這個問題是由于串口信號的走線穿過了晶振下方，使得晶振所產(chǎn)生的諧波信號直接輻合到串口信號線上，串口信號線成為了晶振振蕩信號諧波的裁體，而且串口信號線很長，包括串口電纜，這些都成為了很好的輻射天線，將晶振諧波信號帶出PCB板。晶振的周邊充滿著近場輻射場。如果充滿輻射場的范圍內(nèi)有器件或PCB走線，那么晶振及其諧波的RF信號將通過容性或感性的方式耦合到器件或PCB信號線上，即這些器件及信號線也帶上RF信號。當(dāng)信號波長與導(dǎo)體的長度相當(dāng)時會發(fā)生諧振，這時信號幾乎可以100%轉(zhuǎn)換成電磁場。對于本案例中設(shè)備的使用電纜來說，已足夠成為一個很好的天線。

如果假定導(dǎo)體是一個振子天線，就可以利用電纜長度與天線效率的關(guān)系圖來幫助分析

圖中右邊的斜線給出了導(dǎo)體成為理想天線時導(dǎo)體的長度與頻率的關(guān)系。很明顯；在常用的頻段內(nèi)，即使很短的導(dǎo)體也能產(chǎn)生發(fā)射和抗擾度問題?？梢钥吹剑?00MHz處，1m長的導(dǎo)體就是很有效的天線，在1GHz處，100mm的導(dǎo)體就成為很好的天線。圖中間的斜線表示雖然導(dǎo)體沒有成為高效的天線，但仍有可能引起問題的導(dǎo)體長度。左邊的斜線表示導(dǎo)體的長度極短，其天線效應(yīng)可忽賂的情況?！咎幚泶胧?/p>

根據(jù)以上分析，晶振是一個噪聲源，這一事實是沒有辦法改變的，RS32串口電纜是天線，這也是沒有辦法改變的事實。但是噪