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设计PCB时,频率产生器件、驱动器、电源模块和滤波元件的位置及排列方向会对整体EMC性能产生影响。合理的布局对于实现EMC目标至关重要,良好的EMC布局可减少电磁干扰(EMI),提高电路的抗干扰能力(EMS),确保电子产品稳定运行。
设计PCB布局应遵循以下关键原则:
1、信号流向优先:让关键高速信号线路最短。
2、时钟电路处理:尽量缩短时钟走线,无法缩短时在两侧添加屏蔽地线,时钟电路应远离I/O接口和连接器,布置在电路板内侧。
3、区域分配:低频数字I/O和模拟I/O电路靠近连接器布置,高速电路等噪声源和敏感电路靠内侧放置。
4、其他考量:功率放大与驱动部分应远离屏蔽体开孔区域,晶振、晶体等元件靠近对应IC放置,基准电压源和模拟信号输入线应远离数字信号线路。
功能导向分区
将电路按功能模块化处理,例如时钟电路、放大电路、驱动电路、数模转换电路、I/O接口、电源模块和滤波电路等。依据信号流向进行合理布局,确保模块间连接路径最短,减少交叉干扰。
频率导向分区
根据工作频率和信号速率将电路分区,采用高、中、低频率逐级布局方式,避免不同频段电路相互交错,降低频率干扰。
信号类型分区
将数字电路与模拟电路分开布局,通过空间隔离减少相互耦合。数模转换电路(如A/D、D/A转换器)应位于两个区域的交界处,并确保模拟部分管脚位于模拟地平面上方,数字部分管脚位于数字地平面上方。
时钟布局
晶振和时钟发生器应尽量布置在电路板的内部区域,远离板边和I/O接口。这类高频振荡器件是电磁干扰的主要发射源,应与敏感电路保持足够的距离,并考虑在其周围添加适当的接地屏蔽。晶振应靠近使用其时钟信号的主控芯片放置,以缩短时钟传输路径,减少辐射。
电源布局
电源转换如DC-DC电源模块、线性稳压器等应单独划分区域。开关电源模块是电磁干扰的主要来源之一,尽管系统中各单板都有独立电源系统,但这些干扰仍能通过背板连接或空间耦合方式传播至其他单板。因此电源部分必须合理布局于单板的电源入口位置附近。对于占用面积较大的电源电路,应统一置于单板的同一侧边。由于电源部分在功能上相对独立且常是EMI问题的源头,使用过孔栅栏或分割线在物理上划分电源区域与其他电路区域,有效抑制电源噪声向敏感电路的传播。
滤波元件
敏感的滤波器件应当远离干扰源,大功率滤波器与小信号滤波器之间需要保持适当的隔离距离。对于不同频段的滤波器,建议按照频率高低进行梯度布局,高频滤波器应当更靠近信号源,而低频滤波器可以适当放置得远一些。
高速缓冲器和驱动器
对于高速缓冲器和驱动器,应放置在驱动线路的起始端,尽量靠近负载器件,以减小信号反射。驱动大电流负载的器件周围应设计充分的散热区域,并确保电流回路完整。负载比较大的应该和驱动器电源分开,避免相互干扰。
模拟信号处理器件
模拟信号处理器件如运放、比较器等应远离数字处理电路,特别是远离高频时钟源和电源模块。模拟信号路径应尽量短,避免与数字信号线平行走线。对于高精度模拟电路,建议考虑添加屏蔽层或屏蔽罩。
RF射频器件
严格参考设计布局,保持信号路径阻抗连续性,并避免其信号线与其他高速信号线交叉。射频部分最好设计为独立区域,甚至可考虑使用内部屏蔽隔离。
大功率器件和散热元件
大功率器件和散热元件应合理布置,避免热点集中,并考虑整体散热通道设计。这些器件通常需要较大的铜面积散热,但过大的铜面也可能形成天线结构,因此需要权衡EMC性能和散热效果。
接口连接器
接口连接器如USB、以太网等应布置在板边,且信号线尽量短,避免跨越整个电路板。对于高速接口,应考虑信号完整性问题,保持差分对走线的完整性。
高频特性
在高频情况下,印刷线路板上的引线、过孔、电阻、电容、电感等不可忽略。电阻产生对高频信号的反射,引线的分布电容会起作用,当长度大于噪声频率相应波长的1/20时,就产生天线效应,噪声通过引线向外发射。