PCB設(shè)計(jì)要考慮的模擬布局中的不同類型的屏蔽
電路板可能會受到傳入電磁干擾(EMI)的影響,并且還會影響其他具有傳出EMI的電子設(shè)備。有許多解決方案來阻止干擾,包括使用金屬屏蔽層或罐頭。關(guān)鍵是要在模擬布局中使用這些不同類型的屏蔽,首先要從良好的PCB布局策略開始。
非屏蔽電子產(chǎn)品可能導(dǎo)致的問題
許多類型的干擾都會影響電子設(shè)備的性能。這些包括地面反彈,串?dāng)_和電源噪聲。不過,最大的擔(dān)憂是電磁干擾。EMI會對電子設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生毀滅性影響,其結(jié)果既昂貴又危險。在醫(yī)療領(lǐng)域,電子設(shè)備(例如監(jiān)護(hù)儀,除顫器和呼吸機(jī))的故障可能會造成嚴(yán)重后果,這就是一個例子。
如果未正確控制EMI,以下是電子設(shè)備可能遇到的一些問題:
通訊中斷。
對無線設(shè)備的干擾。
來自傳感器的數(shù)據(jù)損壞。
電子元件故障。
軟件錯誤或故障。
EMI的危害是雙重的:電子器件可能會受到傳入EMI的損害,或者電路板會產(chǎn)生輸出EMI,從而損壞其他電子器件。為了限制潛在的問題,有不同的標(biāo)準(zhǔn)來控制EMI輻射可接受和不可接受的范圍。例如,IEC 60601設(shè)定了醫(yī)療設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn),而CISPR 12和CISPR 25分別涵蓋了車輛外部和內(nèi)部來源的干擾。
印刷電路板中最常見的EMI來源是板內(nèi)部的,并且是由其布局問題引起的。如果不加以糾正,則由這些問題產(chǎn)生的EMI可能會破壞電路板的運(yùn)行,直至最終導(dǎo)致故障。為避免這種情況,重要的是首先在電路板布局中使用良好的PCB設(shè)計(jì)技術(shù),我們將在下面討論。
模擬組件之間的短直接路由。
模擬屏蔽始于良好的PCB設(shè)計(jì)
增強(qiáng)電子產(chǎn)品的抗EMI能力是電路板總體設(shè)計(jì)的一部分。以下是防止EMI時應(yīng)考慮的PCB布局的四個主要領(lǐng)域:
板層堆疊
如何在PCB疊層中配置這些層是控制EMI必不可少的第一步。雖然減少層數(shù)以減少制造成本似乎很有吸引力,但該策略可能會損壞板的信號完整性。高速信號,靈敏的模擬網(wǎng)絡(luò)和嘈雜的電源電路都需要彼此隔離,并且可能需要在堆棧中添加其他層。為接地層提供足夠的層以屏蔽這些信號層免于發(fā)射或受到EMI的侵害也很重要。
元件放置
元件的放置方式也將極大地影響電路板屏蔽EMI問題的方式。以下是一些需要牢記的一般準(zhǔn)則:
將模擬電路與數(shù)字電路分開。
將模擬組件緊密放置在一起,以縮短走線長度。
提供足夠的旁路電容器以確保干凈的供電網(wǎng)絡(luò)。
在您的PCB設(shè)計(jì)中包括低通濾波。
為確保您的PCB設(shè)計(jì)符合EMC要求,務(wù)必根據(jù)功能對PCB組件進(jìn)行分組。您不希望數(shù)字電路流過電路板的模擬部分,除了那些將兩者直接連接在一起的信號。
電源和地平面
板層堆疊中的金屬平面提供了很多屏蔽,在帶狀線配置中,在兩個接地平面層之間的層上路由敏感信號是一種很好的做法。此外,以下是設(shè)計(jì)飛機(jī)時要記住的其他一些準(zhǔn)則:
對于模擬和數(shù)字接地,請使用單獨(dú)的平面,以使其噪聲分開。
在不流經(jīng)模擬電路區(qū)域的平面中提供清晰的數(shù)字信號返回路徑。
請小心分離平面,切口或平面上的孔,以免EMI穿過并為清晰的信號返回路徑造成障礙。
避免使用分割平面,但是如果有必要,請確保分割僅在一點(diǎn)處相互連接。分離平面之間的多個連接點(diǎn)會產(chǎn)生環(huán)路,從而導(dǎo)致天線輻射EMI。
跟蹤路由
有了良好的組件放置,您將已經(jīng)具備最佳跟蹤布線的必要基礎(chǔ)。但是,遵循這些布線指南以最小化EMI仍然很重要:
保持模擬信號和數(shù)字信號彼此分離,并將敏感信號與其他路由隔離。
保持模擬路由簡短,并確保信號在其參考平面上具有清晰的返回路徑。
如果您沒有足夠的空間容納更寬的間隔,請使用保護(hù)走線來防止兩條并行模擬走線之間的串?dāng)_。如果需要,保護(hù)走線還可以幫助屏蔽模擬走線和數(shù)字走線。
使用過孔在電路的各個功能分區(qū)之間形成屏蔽邊界或柵欄。通孔圍欄既有效又易于安裝,但要權(quán)衡的是它們會占用電路板上的大量空間。
現(xiàn)在,我們已經(jīng)研究了一些有助于屏蔽的PCB設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,下面讓我們看一下在電路板上使用金屬屏蔽的方法。
電路板的模擬區(qū)域,用屏蔽層保護(hù)。
模擬布局中不同類型的屏蔽的注意事項(xiàng)
為了進(jìn)一步屏蔽電路板免受EMI的影響,可以添加金屬屏蔽層或罐頭。目的是在板的關(guān)鍵區(qū)域中包含一個覆蓋所有四個側(cè)面和頂部的屏蔽層,同時將其焊接到組件下方的接地層,從而形成法拉第籠。在理想世界中,屏蔽層將完全封閉以阻止所有排放。然而,實(shí)際上,屏蔽層中需要有開口,用于調(diào)節(jié),熱冷卻,接縫和電路板的焊點(diǎn)。
在電路板上使用屏蔽時,另一個要考慮的問題是,通常在自動PCB組裝后,通過人工焊接將它們連接到板上。這花費(fèi)時間并且增加了板的制造費(fèi)用。它還增加了調(diào)試和測試的復(fù)雜性,以及返工PCB時的難度。但是,金屬屏蔽確實(shí)可以大大提高對EMI的保護(hù)程度,并且通常是電路板的要求。PCB屏蔽可由鍍錫軋鋼,鍍錫銅,不銹鋼和其他材料制成。
非屏蔽電子產(chǎn)品可能導(dǎo)致的問題
許多類型的干擾都會影響電子設(shè)備的性能。這些包括地面反彈,串?dāng)_和電源噪聲。不過,最大的擔(dān)憂是電磁干擾。EMI會對電子設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生毀滅性影響,其結(jié)果既昂貴又危險。在醫(yī)療領(lǐng)域,電子設(shè)備(例如監(jiān)護(hù)儀,除顫器和呼吸機(jī))的故障可能會造成嚴(yán)重后果,這就是一個例子。
如果未正確控制EMI,以下是電子設(shè)備可能遇到的一些問題:
通訊中斷。
對無線設(shè)備的干擾。
來自傳感器的數(shù)據(jù)損壞。
電子元件故障。
軟件錯誤或故障。
EMI的危害是雙重的:電子器件可能會受到傳入EMI的損害,或者電路板會產(chǎn)生輸出EMI,從而損壞其他電子器件。為了限制潛在的問題,有不同的標(biāo)準(zhǔn)來控制EMI輻射可接受和不可接受的范圍。例如,IEC 60601設(shè)定了醫(yī)療設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn),而CISPR 12和CISPR 25分別涵蓋了車輛外部和內(nèi)部來源的干擾。
印刷電路板中最常見的EMI來源是板內(nèi)部的,并且是由其布局問題引起的。如果不加以糾正,則由這些問題產(chǎn)生的EMI可能會破壞電路板的運(yùn)行,直至最終導(dǎo)致故障。為避免這種情況,重要的是首先在電路板布局中使用良好的PCB設(shè)計(jì)技術(shù),我們將在下面討論。
模擬組件之間的短直接路由。
模擬屏蔽始于良好的PCB設(shè)計(jì)
增強(qiáng)電子產(chǎn)品的抗EMI能力是電路板總體設(shè)計(jì)的一部分。以下是防止EMI時應(yīng)考慮的PCB布局的四個主要領(lǐng)域:
板層堆疊
如何在PCB疊層中配置這些層是控制EMI必不可少的第一步。雖然減少層數(shù)以減少制造成本似乎很有吸引力,但該策略可能會損壞板的信號完整性。高速信號,靈敏的模擬網(wǎng)絡(luò)和嘈雜的電源電路都需要彼此隔離,并且可能需要在堆棧中添加其他層。為接地層提供足夠的層以屏蔽這些信號層免于發(fā)射或受到EMI的侵害也很重要。
元件放置
元件的放置方式也將極大地影響電路板屏蔽EMI問題的方式。以下是一些需要牢記的一般準(zhǔn)則:
將模擬電路與數(shù)字電路分開。
將模擬組件緊密放置在一起,以縮短走線長度。
提供足夠的旁路電容器以確保干凈的供電網(wǎng)絡(luò)。
在您的PCB設(shè)計(jì)中包括低通濾波。
為確保您的PCB設(shè)計(jì)符合EMC要求,務(wù)必根據(jù)功能對PCB組件進(jìn)行分組。您不希望數(shù)字電路流過電路板的模擬部分,除了那些將兩者直接連接在一起的信號。
電源和地平面
板層堆疊中的金屬平面提供了很多屏蔽,在帶狀線配置中,在兩個接地平面層之間的層上路由敏感信號是一種很好的做法。此外,以下是設(shè)計(jì)飛機(jī)時要記住的其他一些準(zhǔn)則:
對于模擬和數(shù)字接地,請使用單獨(dú)的平面,以使其噪聲分開。
在不流經(jīng)模擬電路區(qū)域的平面中提供清晰的數(shù)字信號返回路徑。
請小心分離平面,切口或平面上的孔,以免EMI穿過并為清晰的信號返回路徑造成障礙。
避免使用分割平面,但是如果有必要,請確保分割僅在一點(diǎn)處相互連接。分離平面之間的多個連接點(diǎn)會產(chǎn)生環(huán)路,從而導(dǎo)致天線輻射EMI。
跟蹤路由
有了良好的組件放置,您將已經(jīng)具備最佳跟蹤布線的必要基礎(chǔ)。但是,遵循這些布線指南以最小化EMI仍然很重要:
保持模擬信號和數(shù)字信號彼此分離,并將敏感信號與其他路由隔離。
保持模擬路由簡短,并確保信號在其參考平面上具有清晰的返回路徑。
如果您沒有足夠的空間容納更寬的間隔,請使用保護(hù)走線來防止兩條并行模擬走線之間的串?dāng)_。如果需要,保護(hù)走線還可以幫助屏蔽模擬走線和數(shù)字走線。
使用過孔在電路的各個功能分區(qū)之間形成屏蔽邊界或柵欄。通孔圍欄既有效又易于安裝,但要權(quán)衡的是它們會占用電路板上的大量空間。
現(xiàn)在,我們已經(jīng)研究了一些有助于屏蔽的PCB設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,下面讓我們看一下在電路板上使用金屬屏蔽的方法。
電路板的模擬區(qū)域,用屏蔽層保護(hù)。
模擬布局中不同類型的屏蔽的注意事項(xiàng)
為了進(jìn)一步屏蔽電路板免受EMI的影響,可以添加金屬屏蔽層或罐頭。目的是在板的關(guān)鍵區(qū)域中包含一個覆蓋所有四個側(cè)面和頂部的屏蔽層,同時將其焊接到組件下方的接地層,從而形成法拉第籠。在理想世界中,屏蔽層將完全封閉以阻止所有排放。然而,實(shí)際上,屏蔽層中需要有開口,用于調(diào)節(jié),熱冷卻,接縫和電路板的焊點(diǎn)。
在電路板上使用屏蔽時,另一個要考慮的問題是,通常在自動PCB組裝后,通過人工焊接將它們連接到板上。這花費(fèi)時間并且增加了板的制造費(fèi)用。它還增加了調(diào)試和測試的復(fù)雜性,以及返工PCB時的難度。但是,金屬屏蔽確實(shí)可以大大提高對EMI的保護(hù)程度,并且通常是電路板的要求。PCB屏蔽可由鍍錫軋鋼,鍍錫銅,不銹鋼和其他材料制成。
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