3C认证中的PCB设计

2003 年度信息技术及其应用论文集 3C 认证中的 PCB 设计 207 3C3C 认证中的认证中的 PCBPCB 设计设计 江苏国光信息产业股份有限公司 李银玉 摘摘 要 要 信息产品 3 认证是国家强制性认证 其整机设计应符合国标 GB4943 信息技术设备的安 全 GB9254 信息技术设备的无线电骚扰限值和测量放法 GB17618 信息技术设备抗拢 度限值测量方法 等标准的规定 其中有耐压 绝缘 阻燃 电磁辐射发射 电磁敏感度 等几大方面二三十项技术要求 所以在产品设计时就应预先考虑 精心统筹设计 而 PCB 是整机元器件的支撑件 联接件 又是能量核心所在地 所以 PCB 的 认证设计是信息 产品设计的关键性设计 本文从安全性 电磁兼容性 可靠性 工艺性四方面出发 阐明 了相关应用理论和强制规定 结合多年的工作实践 提出了 PCB 设计过程中选材 布局 主要元器件的选择及地线 电源线 信号线的布线规则 及其相关注意事项 以文字和图 表形式 例举了不同形式 不同线路组合的 PCB 设计优秀方案及其主导设计思想 并分析 了不良设计的原因及克服方法 供有关设计人员参考应用 关键词 关键词 绝缘 阻燃 爬电距离 危险电压 安全特低电压 接地电阻 差模辐射 环流面积 共地阻抗 共模辐射 静电 浪涌冲击 PCB 设计是整机 3C 认证设计的关键设计 其设计应充分考虑到整机的安全性 可靠性 电磁 兼容性和工艺性诸多要素 根据目前 IT 行业整机产品越来越精密 越来越复杂的特点 要符合国 标 GB4943 GB9254 GB6833 GB17168 等标准的规定 其中耐压 绝缘 阻燃 电击 电磁辐射发 射 电磁敏感度等几大方面 二三十项技术要求 必须在产品设计时就预先考虑 精心统筹设计 才能做好 设计人员 工艺人员在设计 工艺方案中必须体现出来 才能较好地实现 3C 认证设计 PCB 是整机元器件的支撑件又是联接件 能量核心所在 所以成为整个 3C 认证设计的关键设计 新品设计时 在整机外形 结构及充分考虑产品应达到的功能情况下 统筹兼顾 确定印制 板的毛坯尺寸 这就划定了 PCB 设计的舞台 设计随即可运作开始 1 1 印制板使用的种类印制板使用的种类 PCB 目前尚有简单的电源板等是属单面板 其它绝大部分是双面板 四层板 六层板 八层板 不管其层次多少 都必须是阻燃达到 FCC V O 级标准 同时要选用有足够支撑力的材料 一般都用 敷铜箔环氧玻璃布层压板 双面板的厚度为 1 5mm 四层板的厚度为 1 6mm 1 8mm 为好 我们 IT 行业的主控板目前一般使用 2 层 4 层及 6 层为多 2 2 印制板设计中的元器件布局印制板设计中的元器件布局 当印制板外形尺寸决定后 首先应进入关键的元器件布局设计 它的设计好坏直接影响安全 电磁兼容等四大因素 往往新设计人员对此无一比较正确的规则 随自己意愿或某些想法来布局 结果带来许多不利因素 有时由于一 二根布线不当 造成无可挽回而告知失败的结果 下面推荐 两种比较理想的 PCB 布局方式 然后总结其特点和布局规则 2 12 1 星形辐射法星形辐射法 电源线 地线有可能通过电缆输入至印制板中央位置的类型 2003 年度信息技术及其应用论文集 3C 认证中的 PCB 设计 208 能实现电源模块电源线 地线输出在印制板中央位置的或中央附近位置的 该二模式可将重要器件 高频的晶体 晶振 时钟电路 CPU 等放在中央紧靠电源 地 线输出端位置 其它与它们有关的逻辑相关器件安排在上述器件的周围 然后再连接其它边缘器件 整个布局形成由中心向四周辐射状态 这种布局最大特点 压缩布局空间 中心至各引线距离基本相同 线路阻抗基本一致 关键主 要电路布线最短 环流面积小 2 22 2 电源线 地线印制板插入联接法电源线 地线印制板插入联接法 此种形式相当普遍 其布局应在电源地线引入端近处放置高速电路 重要电路 然后再布中速 低速电路 有高速逻辑电路与模拟电路等并存的 PCB 板 其布局见下图 电缆插座 CPU IC4 IC3 IC2 晶体 电源部分 CPU IC2 IC4 IC5 IC3 晶体 高速 中速电路 低速电路 低速逻 辑电路 高速逻辑电 路 模 拟 电 路 数 字 模 拟 A D 2003 年度信息技术及其应用论文集 3C 认证中的 PCB 设计 209 上述两种边端插入传输布局的特点也是高频信号回路面积小 电路分类 电路分区 共地干 扰明显下降 共地干扰 当几块 IC 电路共用一根地线工作时 见图 当 IC1 IC2 IC3 都工作时 B 处地线上的工作电流应 I1 I2 I3 IC1 IC2 IC3 三块电路工 作互相影响 产生了共地干扰 尤其是那种树干树枝状的地线布局是很差的一种 这是电磁辐射指 标和可靠性指标下降的一个很重要原因 上图为串联地阻抗耦合 所有独立电路的地都通过串联连接 这对干扰嘈声来说是一种最不希 望的共地系统 因为 V1 Z1 I1 I2 I3 V2 Z1 I1 I2 I3 Z2 I2 I3 V3 Z1 I1 I2 I3 Z2 I2 I3 Z3I3 公式表明串联共地其干拢和辐射是很大的 归纳上述两类布局方式特点 以电路特性分类 顺逻辑走向划区 压缩布局空间 明显减少了引线长度 缩小环流面积 降 低了辐射 提高了抗干扰能力 为顺利布线创造了条件 印制板布局中还应做好散热设计的要求 如大功率发热元器件 其周围不应布热敏元件 并 做好散热处理 需要安装重量较大的元器件时 应尽量安排固定支撑点 不能单靠元器件引脚支撑 印制板边缘至少空 3mm 间隙 不再布元器件 可在不会引起短路的情况下布线 来满足生产 安装 测试的要求 IC3IC1IC2 I2 I1 I3 Vcc Vo A B 干线 叉线 支线 地 线 总 线 IC1 IC2 IC3 总 线 干线 枝线 叉线 等效等效 2003 年度信息技术及其应用论文集 3C 认证中的 PCB 设计 210 3 3 元器件的选择元器件的选择 从安全设计的要求出发 首先是载有危险电压的安全关键件的选用 如 220V 电源插座 保 险丝 电源模块等一定要用通过安全认证或 3C 认证 中国强制认证委员会 的元器件或部件 其 它的安全特低电路的 IC 电路的选择一般选用方式 在价格功能合适的情况下 表面贴装的 SMT 器 件优先与 TTL 双列直插器件 TTL 器件优先于分离元器件 对于 IC 电路的功率和 IC 工作的速度 开关电路上升和下降时间 只要在能满足可靠性的前提 下 反对 IC 功率越大越好 开关速度越快越好的错误观点 因为任何事情都具有多面性 某一特 性走到极端 随之将出现其它问题 如灵敏度与抗干扰性就是一对矛盾 必须兼容各设计指标 妥 然解决问题 电阻 电容 电感 一般也可选用 SMT 的 容量大的电容 可适情考虑应用其它形式器件 元器件的选择要在满足功能的前题下 已提出了 3 个降低和缩小 3 13 1 降低降低 ICIC 电路开关速度 减小谐波分量电路开关速度 减小谐波分量 脉冲信号通过傅立叶级数变换 其频谱见图 图中竖线均为每一频率点上的量值 其中 与辐射强度有关 tr 与辐射频宽有关 而且这些 谐波很容易借助各种导线和电缆产生辐射造成干拢 所以必须降低 IC 电路开关速度 减小谐波分 量和谐波频宽 3 23 2 降低工作电流 减小功率降低工作电流 减小功率 3 33 3 缩小环流面积缩小环流面积 SMT 器件环流面积最小最合适 且集成度高可靠性好 所以作为首选对象 下图用三种不同 器件装配在同一种 PCB 板上测试结果 V orI 2A d tr T V orI 0 64A Tf V orI 0 2A Ttrf2 20dB dec 40dB dec T Tr d A谐波幅度 电压或电流 对数 频率 脉冲信号的频谱脉冲信号的频谱 1 tr1 d 03 04 1 2 3 4 5 6 7 1GHZ 30 20 10 40 50 60 DB uV 分立元件辐射包络线 双立直插件辐射包络线 SMT 辐射包络线 2003 年度信息技术及其应用论文集 3C 认证中的 PCB 设计 211 第三种 SMT 的辐射最低 小结 选用器件不主张功率越大越好 速度越快越好 而是推荐只要满足设计功能要求 采用 兼容各指标的设计 且能降低成本 又能完美达到设计目标 这种设计组合认为是最佳组合 当然 各种不同类型 等级的机器就有不同的最佳组合 4 4 印制板层次设计及布线 印制板层次设计及布线 印制板布线前要正确认识电源 地线干扰及辐射情况是十分重要的 当电源 地线在瞬态出 现增加或减少电流时 由于有电感和电容的作用 在电源 地线上出现干扰状况见图 这是一个 IC 电路工作时的情况 当许多电路工作时 电源 地线上干扰与辐射是十分严重的 因此 复杂一些的 PCB 板建议用四层板 它的好处是顶面 背面都可布信号线 增加了布线空间 更主要的是有了一个低阻抗的地平面和电源平面 尤其是地平面 大大地缩小了所有 IC 电路工作 的环流面积及地线阻抗 四层板原则上顶层为信号线层 第二层为直流地线层 第三层为直流电源层 第四层为信号 线层 当印制板 IC 电路全部为开关电路或全部为模拟电路 那它们的地线不必隔离分开 有时 在直流电源层中往往有几种电源 一般都用空隙隔离方法来分割解决 当印制板中出现有逻辑电路 又有模拟电路的情况 通过分析 可将逻辑电路地线与模拟电路地线分区隔离 隔离带宽度 3mm 单处短接或用磁珠等方法联接取得同电位参照地 当印制板中的逻辑电路与模拟电路的联线有几十根 情况非常复杂 那必须掌握它们各自要有 独立的电源 地线区 又要考虑到有联结关系的 IC 回路 其环流面积最小的原则去设计 并保证 有极低阻抗的地线 见例图 输出输出 ICC VCC Ig Vg 电源线 地线噪声电压波形电源线 地线噪声电压波形 开关电 路部分 模拟电 路部分 地线层 信号连接线 2003 年度信息技术及其应用论文集 3C 认证中的 PCB 设计 212 双层板地线设计成栅状围框形成 即在印制板一面布较多的平行地线 另一面为垂直地线 然 后在它们交叉的地方用金属化过孔连接起来 过孔电阻要小 例图所示 为考虑到每个 IC 芯片近旁应设有地线 往往每隔 1 1 5cm 布一根地线 这样密集的地线使信 号环路的面积更小 有利于降低辐射 该地网设计方法应在布信号线之前 否则实现比较困难 信号线布线原则 双层板在元器件合理布局确定后 紧接着先设计地网电源线 再布重要线 敏感线 高频线 后布一般线 低频线 关键引线最好有独立的电源 地线回路 引线且非常短 所以有时在关 键线边上布一条地线紧靠信号线 让它形成最小的工作回路 四层板顶面 底面的布线原则同双层板的信号线 也是先布关键晶体 晶振电路 时钟电路 CPU 等信号线 一定要遵守环流面积尽量小的原则 印制板 IC 电路工作时 前面多次提及环流面积 实际它的出处在差模辐射的概念 差模辐射的定义 电路工作电流在信号环路中流动 这个信号环路会产生电磁辐射 由于这种 电流是差模的 因此信号环路产生的辐射称为差模辐射 其辐射场强的计算公式 1 1 f2 I A r 式中 E1 差模 印制板电路空间 处的辐射场强 f 印制板电路工作频率 A 印制板电路环流面积 I 印制板环流工作电流 印制板电路空间距离 K1 常数 由差模辐射公式可见 其辐射场强与工作频率 f2 环流面积 A 工作电流 I 成正比 如当工作 频率 f 确定后 环流面积的大小是我们设计中可直接控制的关键因素 同时环流工作速度 电流只 要满足可靠性 并非越大越好 信号上跳沿下跳沿越窄 它的谐波分量就越大 越宽 电磁辐射就 IC1 IC2 地线 A A 环流面积 2003 年度信息技术及其应用论文集 3C 认证中的 PCB 设计 213 越高 功率越大其电流必然就大 上述已指出过 这是我们不期望的 下面给出几种逻辑电路能满足辐射 级标准允许的环流面积参考值 不同时钟频率允许环流面积 cm2 逻辑系 列 上升时 间 电流 4MHZ10MHZ30MHZ100MHZ 74HC6205045186 74LS65020187 22 4 74AC3 5805 52 20 750 25 74F3505 52 20 750 25 74AS1 410020 830 15 从表中可以看出 电路开关速度越快 则允许的面积越小 关键的联线 如有可能其周围均可用地线包围之 另待布线完毕后 可用地线将所有空隙覆盖 但必须注意这些覆盖地线都要与大地层低阻抗的联体短接 这样能取得良好的效果 注意 有空 隙要求的应满足条件 如爬电距离等 布线宽度 正常的布线宽度一般为 地线 电源线 信号线 通常信号线宽为 0 2 0 3mm 其两线间隙与 线宽成 1 1 的比例 根据布线工艺合理性的要求 布线应照图示方法 纠正不正确的现象 应避免的例图中的直角走线 它可以等效为传输线上的容性负载 减缓了上升时间 同时其阻 抗不连续造成信号发射 再则直角尖端易产生电磁辐射干扰 其它大多数属工艺性问题 在设计线路中如有驱动端发送的两个等值反相的差分信号 其布线可采用一对靠近的走线 尽 量保持同形态 等长同阻抗 这样能有效抑制电磁辐射 并具有抗干扰能力强 时序定位精确的优 点 良好良好 应避免应避免 良好良好 应避免应避免 2003 年度信息技术及其应用论文集 3C 认证中的 PCB 设计 214 蛇行布线作用是增加阻抗 感抗 起到信号延时的作用 这种布线法对辐射减少是不利的 但 在一些特殊的场合下可以使用 如采用叠板 其引线比其它部位引过来的线要短 为延迟信号可以 使用蛇行线 局部小范围内 求得时序和阻抗匹配 对于布线整体概念来说 顶面导线与底面导线成垂直形态 即一面大多数竖线 另一面大多数 为横线 对于数据及其它重要需平行走线的场合 如有可能最好每一条或两条数据线之间夹一根同 宽的地线来提高抗干扰能力 重要线尽量减少用短路孔 或最多使用 1 2 个短路孔 对于安全性来说 如果不是安全特低电压电路的导线 其布线间隔就应严格控制 满足其爬电 距离的要求 无特殊处理的印制板表面的电气间隙 即是爬电距离 如危险电压中的 220V 引线 两导体的爬电距离应大于 3mm 50V 左右的两导体的爬电距离应大于 0 8 mm 一次电路与二次电路 部分一般大于 6mm 见图 电源线包括直流电源线 布线的宽度应根据该导线上的功率和升温状态计算决定 一般安全特 低电压 如 5V 的电源线可按 1A 为 1 mm 宽印制板设计 如万一线宽度不够 可用导线表面铜铂 镀锡方法增加其导线截面积的方法解决 随后 插座插针个数也得相应计算匹配 不能使插针触点 成为电流瓶颈口 一般一个插针 指一般正常插针 通过 5V 应 1A 不能过大 焊盘的选用 焊盘选择对印制板的可靠性直接有关 其应选用有关的标准来保证器件的焊接 双列直插式和 分立元器件焊盘尺寸应与所装配器件的引脚尺寸和承受压力相匹配 实际证明也可用经验推算 一 般器件的焊盘内孔是 A 的话 其焊盘外径一般为 2A 附近 引脚直径为 B 的话 那焊盘的内 孔直径一般为 B 0 3mm 或 B 0 4mm 如空径太大 焊接过程中会出现气泡或缺焊 虚焊状态 如内径太小 器件引脚会插不进或比较困难 焊接时焊锡也不易浸润到对面 如要负重的散热器焊盘 变压器焊盘等可选用 泪滴型 方型盘 锁眼型 等改进型焊盘 加强铜箔附着力 见图 在布线过程中 如出现过线孔太多或关键地方不允许有过孔的话 在多层板中可使用盲孔和埋 孔 以此提高布板密度减少层数 盲孔和埋孔最小钻孔尺寸可在 0 3mm 左右 在粗线或平面铜箔上的焊盘可用十字盘 梅花盘 来解决散热快易出现虚焊的问题 见图 一次电路二次电路 6cm 泪滴盘泪滴盘方盘方盘锁眼盘锁眼盘 2003 年度信息技术及其应用论文集 3C 认证中的 PCB 设计 215 SMT 器件的布线方式 SMT 焊盘边缘处 0 6mm 的地方才能有通孔 焊盘不允许印有字符和其它标志 焊盘之间 焊盘与通孔之间 以及焊盘与大面积地线之间联线 其宽度一般 焊盘宽度的 0 5 如用阻焊膜加 以隔开的 其宽度可以等于焊盘宽度 凡高密度的器件 SOIC QFP 等引脚焊盘之间的短接处不允许直通 应由焊盘加引出线之后 再短接 同时应尽量避免在其焊盘之间穿越其它联线 SMT 的焊盘不能兼作检测点 柱状表面贴装元件 MELF 的焊盘设计 见图 5 5 滤波电容 储能电容 解耦电容 的设计滤波电容 储能电容 解耦电容 的设计 当外来电源或系统电源送入印制板时 该输入端应有高低频电容进行滤波 保证输入电流的干 扰电位低于标准水平以下 而每一个 IC 芯片附近都应设计储能电容 见图 该电容在 IC 芯片工作过程中能提供电能 避免 IC 芯片电源 地线上出现突跳干扰 减小了感 应发出的燥声电压 大规模集成电路有多个电源和地线引脚 设计时也应多加几个储能电容 关于储能电容器的容量 经实验 一般 14 和 16 脚的芯片选用 0 01uf 大规模集成的芯片可 为 0 1uf 在时钟振荡电路的电源上串接一只小电感 磁珠 也同样能起到抑制电源跳变的作用 磁环 磁珠为铁氧体等效扼流圈 串联在线路中有抑制干扰的能力 能量变换 使用时要根据 抑制干扰的频率来选择不同磁导率的铁氧体材料 铁氧体磁导率越高 低频的阻抗越大 而高频的 阻抗越小 铁氧体磁导率越低 高频的阻抗越大 而低频的阻抗越小 见表 十字盘铜箔 TD C d L A B A Lmax 2tmax 0 254 B dmax Tmin 0 254 C dmax 0 254 D B 2B A Lmax 2 IC 储能电容 2003 年度信息技术及其应用论文集 3C 认证中的 PCB 设计 216 磁导率最佳抑制频范围 125 200MHz 85030MHz 200MHz 250010MHz 30MHz 5000 10MHz 具体使用时 磁环磁珠应装在干扰源发生端 磁珠最常见使用在晶体 振荡器的输出端 同时 在晶振输出端设计一只接地的高频旁路电容 具体值可在 2 47PF 挑选 用来调节辐射谐波分量 有时在 I O 口为了抗干扰 也有用磁珠的例子 磁环一般使用在电缆线上抑制辐射干扰 6 6 印制板共模辐射抑制印制板共模辐射抑制 印制板辐射主要产生于两个源 一个是由各芯片组成的回路辐射 即前面已提过的差模辐射 另一个就是印制板的各种电缆线 工作时产生的共模辐射 见图 共模辐射 当传输信号的导体的电位与邻近导体的电位不同时 特别是电缆与地线及其他导 体之间 在两者之间就会产生电流 即使两者之间没有任何导体连接 高频电流也会通过寄生电容 流动 这种电流称为共模电流 由这种共模电流产生的辐射称之为共模辐射 在电气产品中 一般都存在电缆 如 电源电缆 转接 I O 及其它联线等 由于共模电压都是设计意图之外的 因此共模辐射比差模辐射更难预测和抑制 由于共模辐射的提出 传统的地线概念要扩展 广义的地线定义是 信号电流流回信号源的低阻抗途经 包括有形和无形的地线 有些电子干扰 辐射是不可予先知道的 无形地线上发出的干扰 辐射往往很关键 但很多设 计人员不了解此类问题 共模辐射的计算公式 2 K2 I L f R 2 共模辐射场强 I 共模电流 L 电缆长度 f 工作频率 R 观测点到电缆的距离 K2 常数 通过共模辐射的方式可看出 哪些参数可以减小电缆上的共模辐射 电缆长度的控制 IC1 IC2 I 差模辐射 共模辐射 电缆线 2003 年度信息技术及其应用论文集 3C 认证中的 PCB 设计 217 在满足使用要求的前提下尽量缩短电缆的长度 在辐射概念上看电缆都是一个个单极天线 减小共模电流 增加共模电流电路的阻抗 可以减少共模电流 使用共模扼流圈就是达到这个目的的方法 减少共模电压 当共模回路阻抗一定时 减少共模电压就可以减少共模电流 一般可通过在线 路板的 I O 接口部份设置干净地 对机箱内的 I O 电缆屏蔽 使机箱内的 I O 电缆长度尽量短等方 法 可以减小共模电压 滤波可以通过使用共模低通滤波器来滤掉不必要的高频共模电流 屏蔽电缆使用注意事项 屏蔽电缆是抑制共模辐射十分有效的方法 但要注意电缆屏蔽层的端 接方法和端接位置 端接的不好可能会增加电缆的辐射 7 7 保护地和逻辑地联接方式保护地和逻辑地联接方式 保护地和逻辑地的关系很值得研究 尤其是 1 类设备其保护地线要求接地电阻非常低 0 1 在 12V 25A 情况下 印制板 I O 接口的外壳全部都接保护地 一旦 1 类设备的危险电压击穿基本 绝缘时 危险电压马上会与保护地形成回路 产生大电流烧断保险丝 而起到安全保护作用 所以 电源线的黄绿双色保护地线短接在金属壳体或印制板上时 一定要十分牢固 接触电阻非常小并做 好标注符号 另外保护地与逻辑地的关系处理要得当 保护地线是一条泄放静电电击和干扰信号的 良好渠道 只有极少的情况下 保护地线上出现强大干扰信号 才会反串到逻辑地线上 正因为这 一辩证的关系 我们设计保护地与逻辑地的原则是即要连接 又有通道限制 具体方法 7 17 1 用隔离变压器或光耦合器来连接 这时 I O 区域与主电路完全隔离 他们之间的连接仅可能 通 过金属机壳 如有金属机壳一定要利用 设计时将保护地逻辑地各自固定连接在金属机壳上 由 于任何隔离都有寄生电容 因此将共模扼流圈与隔离变压器结合起来使用 可以获得更好的共模抑 制效果 同时可在主电路板与保护地区域留有端接焊盘 可根据联网具体情况在端接处焊接磁珠 电容或直接联线 见图 7 27 2 另一种方法 I O 区域的干净保护地与主电路板之间通过 地桥 连接联线 电源线数据线通 常要加滤波器后方能输出 桥的两端应与金属机壳或大的金属板搭接起来 这样不仅能减少共模 电压 还能提高对静电和浪涌冲击等抗干扰的能力 见图 IC IC 隔离区 跨接点 I O 接口 干净保护地区域 隔离变压器主电路板 IC IC 信号线 隔