印制线路板设计与布局布线_一_

1、85 哪些元器件或导线该归入关注电磁环境内,哪些该归入关注电磁环境外,有时并不能给出十分明显的界定。我们可以采用屏蔽、滤波和其他如浪涌抑制或电源品质提升等电磁骚扰抑制技术控制电磁骚扰的影响。所以,如果元器件和/或导线暴露于外部电磁骚扰环境中,且没有采取任何防护措施,那么它们应该归入关注电磁环境之外。如果设备机箱未采用任何屏蔽或滤波措施,那么PCB的0V平面可以为距离其较近或距离其边缘较远的元器件和印制线提供一定程度的屏蔽防护。所以,通常我们将未与外部电缆连接,且尺寸较小的元器件和印制线归入关注电磁环境内,只要它们位于PCB0V平面之上且被0V平面包围。如果元器件和印制线位于PCB屏蔽罩内,那么

2、它们也属于关注电磁环境内。如果带状电缆、软跳线、非屏蔽连接器和印制线位于未采取有效屏蔽和滤波的机箱内,且未被PCB0V平面所保护,那么它们应属于关注电磁环境之外。同时,它们都可被认为是“无意天线”。比如50mm左右的软跳线、带状线或其他导线,在GSM的900MHz和1.8GHz频点上,以及PCS的1.9GHz频点上,具有很强的接收/发射能力。PCB上的立柱式连接器及类似的非屏蔽连接器,对于GSM的1.8GHz频点、PCS的1.9GHz频点、3G(UMTS的2GHz频点、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee和微波炉的2.45GHz频点、UWB(如无线USB的3.1GHz频点及更高的类似频率,都是效率很

3、高的无意天线。在关注电磁环境内,还可以根据电路的具体特点将其细分成几个不同的区域,如恶劣电磁环境区域、洁净电磁环境区域、高速信号区域、安静区域等。“洁净区域”或“安静区域”内的电路对电磁骚扰非常敏感,比如模拟信号放大器和接收机(从直流、射频一直到微波;“高速信号区域”通常指包含微处理器、RAM、ROM、时钟和数据总线的数字信号处理电路,还包括射频发射机;“噪声区域”通常指开关电源(AC-DC、DC-AC、AC-AC或DC-DC和所有的机电触点,如开关、继电器、接触器、换向器、滑环等。对于不同类别的电磁环境区域,在产品设计初期就应该对其采取机械或电气隔离措施。在产品电路的原理图和其他相关设计图纸

4、中必须清楚地给出隔离的标识,比如用虚线框表示一个电磁环境区域,并注明这个区域的名字。在虚线框包围区域内的所有元器件、印制线、连接器和其他导线都必须安装在这个区域内,只有区域内的一些重要的电连接结构才能穿入、穿出这个区域,但必须采取滤波或其它有效的电磁骚扰抑制措施。在对PCB板进行布局、布线、封装等设计时,必须严格保证各个电磁环境区域间的隔离,且必须考虑产品完成状态的三维构型。由于设计师所面对的大多是产品的个别部件,这些部件有时看起来物理隔离得非常好,但把它们装配到一起就未必还具有良好的隔离状态。比如,当一件产品装配完成时,一个电磁环境区域内的一根电缆过于靠近另一个电磁环境区域内的一个电路,或者

5、是两个属于不同电磁环境区域内的PCB靠得过近,杂散电容和互感的存在将会增加彼此间的电磁噪声耦合效应(比如近场电磁耦合,常称为“串扰”。一般采取对电缆和PCB的特定区域进行屏蔽的方法解决这类问题,但如果能够在产品设计初期就基于产品的三维完成状态进行不同电磁环境区域间的隔离,解决这类问题就86 除非PCB得到了良好的屏蔽,所有的高速信号和射频发射电路都应布置在靠近PCB0V平面中央的区域,使其远离(至少50mmPCB的外接连接器和线缆。另外,在产品最终装配完成时,这些电路也要远离(至少50mm其他电路的互连线缆。PCB外接电缆间的电位差使得这些电缆成为发射天线,从而引起电磁发射问题。当有电流流过0

6、V平面时,即使0V平面上形成的电压非常低,但也不至于是零。所以,最好将PCB上所有的外接电缆(关注电磁环境区域与非关注电磁环境区域之间沿PCB的一边布置,并尽量使其彼此靠近,且不能在电缆间安装有源器件,从而可以将电缆间的电位差降至最低。关注电磁环境区域与非关注电磁环境区域之间的互联电缆也需要采取电磁骚扰抑制措施,所以有必要专门设置一个区域以实现这一目的。在关注电磁环境区域下方应设置一个0V平面,该平面应能包围所有的印制线和元器件,且越大越好。只要产品内有足够的空间,我们可以将PCB做得大一些,使PCB0V平面充分地包围印制线和元器件,从而有助于提高成本效益比。图5B中仅使用了一个PCB。如果产

7、品内部使用了多个PCB,则PCB间未经屏蔽的互联线缆可被视为属于非关注电磁环境区域。即使是长度只有几厘米的导线,也会成为一个在常用频率范围内具有很高效率的无意天线。为了避免这些导线造成的影响,必须慎重考虑整个机箱的屏蔽效能。当然,对机箱或电缆进行屏蔽会增加产品生产成本,这也是仅使用一个PCB的产品通常具有最高成本效益比的原因。若产品仅使用一个PCB,即使我们不得不采用昂贵的软硬结合的PCB技术来实现这一目的,它也可能会具有最高的成本效益比。软硬结合的PCB具有一个覆盖其整个面积(包括其挠性部分和刚性部分的“固态”0V平面,这种PCB的电磁特性远远优于由未屏蔽的连接器、软跳线或未屏蔽的互联线连接

8、的多个PCB。软硬结合的PCB的装配非常简单、快捷,也不容易出现装配失误的问题。由于软硬结合的PCB不需要多PCB产品所特有的板间互连装置,这种PCB可靠性更高。5.3接口分析、滤波和骚扰抑制在实现了PCB的隔离之后,需要对各电磁环境区域之间的接口进行分析,要考虑所有的电磁骚扰现象,包括传导、辐射。同时,还要在以下位置进一步考虑对应的电磁骚扰抑制措施,如滤波、屏蔽、瞬态骚扰防护、电化隔离(使用变压器或光绝缘体等:彼此隔离的区域间的边界;关注电磁环境区域内、外的边界。数字控制信号并不只是简单的1和0,还包含了幅度很高的地弹噪声和其他数字射频噪声。如果将数字控制信号用于控制处于另外一个电磁环境区域

9、内的模拟电路,必须对其印制线在进入该电磁环境区域时采取滤波措施,从而减小进入模拟电路的数字噪声。还有一个值得关注的方面,即共用电源线上的干扰。由于设计人员在绘制产品设计图纸时,通常并不将电源线向外延伸,从而也就忽视了两个电磁环境区域共用一束电源线的情况。如果没有在供电印制线或供电平面进入“安静”区域的位置进行滤波,则电磁噪声将从一个电磁环境区域耦合到另一个电磁环境区域所包含的电路中。如果两个电磁环境区域之间存在信号接口,如A/D或D/A变换器、滤波器、光隔离器等,则这些接口应设置在两个区域之间相距最近的边界上,以保证连接两个区域的印制线不会绕着两个区域内的电路走线。无论在哪个电磁环境区域内,如

10、果一段印制线从一个区域中穿出,在未采取骚扰抑制措施情况下,即使其长度仅有几厘米,也会引起严重的EMC问题。这是因为当今的数字设备具有很快的开关边沿,包含了丰富的高频信号分量,即使电路中的杂散电容和杂散互感非常小(比如两段几毫米长的导线之间存在的杂散耦合效应,也会引起严重的电磁骚扰。IC(集成电路的特征尺寸非常小,这使得它们变得非常脆弱。如果我们在非关注电磁环境区域内使用了一些IC,则我们必须根据电磁环境的特点,对其采取有效87 屏蔽连接器的壳体应多点焊接到PCB的0V平面上,在区域边界处的任何屏蔽结构的屏蔽层都应就近与0V平面多点搭接,所有的搭接点都应在所关注的最高频率上具有非常低的阻抗。为了

11、最大程度地减小串联滤波器件(R或L周围存在的杂散耦合效应,即最大限度地发挥滤波电路的性能,串联滤波器件的布局必须紧凑、规整。如果这些滤波器件不能全部封装在一起,可以将其分别安装在PCB板的两侧,如果此时安装空间还是不足,则可以使用电阻或铁氧体磁珠阵列以替代单个器件的组合。另外,一定不要忽略滤波器件在PCB板上的布局,它们必须沿着一条直线安装。图5C中,串联滤波器件把关注电磁环境区域和非关注电磁环境区域分隔开来。每一个滤波器、屏蔽装置或其它种类的电磁骚扰抑制装置或器件都位于电磁环境分界区域,如果不能正确地划分电磁环境区域,所采取的电磁骚扰抑制措施的效果就会大打折扣。在产品设计图纸上将电磁环境区域

12、划分清楚,并确保在产品的整个设计过程中,这些区域的划分都不会受到影响,才能实现高水平的EMC设计。电磁环境区域划分的实质就是区分表面电流,即分别对待关注区域内外的表面电流。不能沿着安装有外接连接器的PCB边沿布置任何印制线,在滤波器件及其相连的印制线、连接器的阵脚之间,也不能布置任何印制线。印制线与未经滤波的非关注电磁环境区域内的线缆(连接器的插针和/或所连电缆之间的杂散耦合,即使只有几皮法,也可能会使滤波器在较高的频率完全丧失滤波作用,这也是图5C和图5D中的“连接器区域”不布置任何印制线的原因,该区域一直延伸到PCB的边沿。图5D是与图5C类似的示例,最大的区别是其使用了一个与未经屏蔽的外

13、接电缆相连的连接器(最好使用双绞线。图5D非屏蔽外接连接器布局示例,使用了T 型滤波器除了滤波器的不同,以及缺少电缆连接器屏蔽壳体的接地焊点外,图5D与图5C的最大区别是0V平面的面积缩减了。串联器件的目的是希望在高频得到较高的阻抗,但这些器件的终端与0V平面的距离太近,这样会增加杂散并联电容,从而降低其射频阻抗。我们将接地平面的面积适当减小,如图5D所示,能够减小串联滤波器件的杂散电容,提高其高频阻抗。然而,我们不希望在0V平面上开孔,所以是否要采取这种技术还需设计师自己决定。如果已经在PCB上采取了本章节所描述的所有EMC技术,则对于100kHz以上的频率,0V平面内存在的电流还是基本靠近

14、印制线和元器件流动的,且大部分电流还是在虚线所包围的关注电磁环境区域内。对于这种比较乐观的情况,在靠近PCB边沿,且位于关注电磁环境区域内的0V平面上开一个小口,只会使0V平面上的电流稍微偏离其原先的路径,总的来说,88(上接第70页21Ji Sun Im,Jong Gu Kim,Sei-Hyun Lee,et a1.Enhanced ad-hesion and dispersion of carbon nanotube in PANI/PEO elec-trospun fibers for shielding effectiveness of electromagneticinterfere

15、nceJ.Colloids and Surfaces A:Physicochemical andEngineering Aspects,2010,364(1-3:151-157.22周章华,冉龙国,朱新功.原位聚合法制备活性炭-聚苯胺复合材料及其电化学性能J.广州化工,2009,37(2:92-95.23马利,汤琪.导电高分子材料聚苯胺的研究进展J.重庆大学学报(自然科学版,2002,25(2:124-127.24Zheng W,Liu Y W,Hu X G.Novel nanosized adsorbing sulfurcomposite cathode materials for the

16、advanced secondary lithi-um batteriesJ.Electrochimica Acta,2006,51(7:1330-1335.25A G.MacDiarmid,J.Epstein.Application of Thin Films of89 Polyaniline and Polypyrrole in Novel Light-Emitting Devicesand Liquid-Crystal DevicesJ.Photonic and OptoelectronicPolymers,1997(26:395-407.26Qiao-Zhen Yu.Polyanili

17、ne/Au&Fe3O4Au sub-microcablesfabricated by electrospinning and electroless depositionJ.Materials Science and Engineering:B,2010,167(1:26-30.27Sarma T K,Chattopadhyay A.One Pot Synthesis of Nanoparti-cles of Aqueous Colloidal Polyaniline and Its Au?NanoparticleComposite from Monomer VaporJ.Phys.Chem.A,2004,108(39:7837-7842.28王章勇,罗曦,王磊,等.细鳞片膨胀石墨/聚苯胺导电复合材料的制备研究J.化工装备技术,2009,30(3:47-49.29王振基,朱国辉,毛卫民.复合材料的屏蔽效能特点J.科技咨询导报,2007(25:19-20.30S.Koul,R.Chandra and S.K.Dhawan.Conduc