博客作者:Dario Fresu
在 “掌握 PCB 設(shè)計(jì)中的 EMI 控制” 系列的第二篇文章中,我們將深入探討維持低電磁干擾(EMI)的關(guān)鍵概念之一。
電路板分區(qū)(又稱電路板分割)是一種用于組織印刷電路板(PCB)不同電路部分并使其相互隔離的方法。這一技術(shù)可提升電路板的整體性能,尤其是在 EMI 控制方面。它不僅有助于減少電磁干擾,還能增強(qiáng) PCB 設(shè)計(jì)的信號(hào)完整性。
這些技術(shù)背后的原理包括:
約束高頻數(shù)字信號(hào)的高能量成分。
避免電路板內(nèi)不同類型電路之間的共阻抗耦合。
減小電流環(huán)路面積以降低輻射,并提升對(duì)外部干擾的抗擾度。
高速信號(hào)與低速信號(hào)及其諧波
第一個(gè)核心概念涉及控制快速切換信號(hào)產(chǎn)生的高能量諧波成分,以及其電流隨時(shí)間變化的速率。電流變化速率越高,信號(hào)中的諧波能量越強(qiáng),輻射風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。
第二個(gè)概念是:信號(hào)的返回電流會(huì)隨信號(hào)頻率發(fā)生變化。這是因?yàn)樾盘?hào)傳播過程中遇到的阻抗不僅包含導(dǎo)體的電阻,還包括電容,尤其是環(huán)路電感。隨著信號(hào)頻率升高,阻抗的感性分量(與頻率相關(guān))會(huì)顯著增大。
返回路徑的差異
由于電流總是趨向于低阻抗路徑,因此需要明確:當(dāng)信號(hào)頻率升高時(shí),返回電流會(huì)緊密跟隨信號(hào)電流,以最小化電感環(huán)路;反之,在低信號(hào)頻率下,電感影響減弱,阻抗的阻性分量占主導(dǎo)地位。
此時(shí)返回電流會(huì)擴(kuò)散到導(dǎo)體表面以尋找最小電阻路徑。對(duì)于 PCB 設(shè)計(jì)者而言,關(guān)鍵在于:返回電流流回源端的路徑取決于信號(hào)頻率。
圖 1-Altium Designer 中基于頻率的不同返回電流路徑示例
作為 PCB 設(shè)計(jì)者,我們的任務(wù)是最小化這些返回電流之間的干擾,避免可能導(dǎo)致電磁輻射的共阻抗耦合。為此,可在 PCB 中劃分特定區(qū)域或分區(qū),每個(gè)分區(qū)專用于特定類型的電路。這也能縮小電流環(huán)路,減少差模電流產(chǎn)生的輻射。
或許有人會(huì)嘗試通過分割返回參考平面(RRP)來進(jìn)一步隔離不同電路的返回電流路徑,但這一做法不符合 EMC 標(biāo)桿實(shí)踐 —— 因?yàn)樗鼤?huì)在兩個(gè)金屬區(qū)域之間產(chǎn)生電壓差,形成類似天線的結(jié)構(gòu),進(jìn)而引發(fā)電磁輻射。
圖 2-Altium Designer 中錯(cuò)誤的平面分割示例
正確的解決方案是采用完整的低阻抗返回參考平面,使返回電流能夠找到優(yōu)選路徑流回源端。該平面不應(yīng)存在切口、分割或大的間隙,以免成為共模噪聲源。元件布局應(yīng)根據(jù)電路類型和功能劃分為不同的獨(dú)立區(qū)域:
對(duì)于混合信號(hào)電路板,典型的分區(qū)包括數(shù)字區(qū)、電源區(qū)、模擬區(qū)、輸入 / 輸出(I/O)區(qū),必要時(shí)還可設(shè)置濾波區(qū)。例如,數(shù)字區(qū)應(yīng)遠(yuǎn)離其他元件。盡管返回電流會(huì)緊密跟隨信號(hào)走線,但信號(hào)諧波中的高能量成分仍可能更有效地輻射,并與電路板的其他區(qū)域耦合。
典型案例是時(shí)鐘信號(hào)耦合到電路板其他部分的網(wǎng)絡(luò)(如電源和模擬區(qū)),而這些區(qū)域可能連接電纜,電纜會(huì)充當(dāng)天線,加劇輻射。
電纜形成的天線結(jié)構(gòu)
輸入 / 輸出區(qū)至關(guān)重要:一方面需限制噪聲注入電纜,另一方面需通過濾波技術(shù)和屏蔽進(jìn)一步隔離,以減少外部干擾或抑制電路板的噪聲輻射。布局時(shí)必須考慮電纜及周圍設(shè)備或結(jié)構(gòu)。數(shù)字區(qū)應(yīng)遠(yuǎn)離 I/O 區(qū)域,理想情況下位于電路板中央而非邊緣,避免高能量諧波耦合到電纜或從邊緣輻射。
圖 3 - Altium Designer 中錯(cuò)誤的平面分割示例
此外,建議將所有輸入 / 輸出電纜集中布置在電路板的一側(cè)而非多個(gè)邊緣,以避免電纜之間的電壓差,防止形成類似天線的結(jié)構(gòu)(這類結(jié)構(gòu)會(huì)加劇數(shù)字信號(hào)或噪聲的輻射)。
結(jié)論
遵循上述建議,可有效減少輻射發(fā)射,并限制外部干擾耦合到設(shè)計(jì)中。
在下一篇文章中,我們將探討如何選擇 PCB 疊層結(jié)構(gòu),以提升 EMI 性能并降低風(fēng)險(xiǎn)。
實(shí)現(xiàn) PCB 設(shè)計(jì)的高標(biāo)準(zhǔn)需要一套能夠精確控制設(shè)計(jì)各方面的工具。Altium Designer 提供全面的 PCB 設(shè)計(jì)、布局和仿真功能,確保設(shè)計(jì)滿足所有要求,并簡化電路板分區(qū)流程。
集成的設(shè)計(jì)規(guī)則引擎和在線仿真工具可在 PCB 布線過程中驗(yàn)證設(shè)計(jì)合規(guī)性,確保更高的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)完成后,可通過 Altium 365平臺(tái)無縫向制造商發(fā)布文件,簡化協(xié)作和項(xiàng)目共享。
關(guān)于Altium
Altium有限公司隸屬于瑞薩集團(tuán),總部位于美國加利福尼亞州圣迭戈,是一家致力于加速電子創(chuàng)新的全球軟件公司。Altium提供數(shù)字解決方案,以最大限度提高電子設(shè)計(jì)的生產(chǎn)力,連接整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的所有利益相關(guān)者,提供對(duì)元器件資源和信息的無縫訪問,并管理整個(gè)電子產(chǎn)品生命周期。Altium生態(tài)系統(tǒng)加速了各行業(yè)及各規(guī)模企業(yè)的電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)進(jìn)程。
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原文標(biāo)題:【技術(shù)博客】掌握 PCB 設(shè)計(jì)中的 EMI 控制之面向 EMC 的元件布局
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