電磁相容性(EMC)以及相關的電磁干擾(EMI)問題,是系統設計工程師長久以來持續關注的「罪魁禍首」,特別是當今隨著電路板(PCB)設計和元件封裝不斷縮小,以及OEM要求更高速系統的發展,這兩大問題尤其讓PCB佈局和設計工程師頭痛。

EMC與電磁能的產生、傳播和接收密切相關,但這是PCB設計中絕對不希望出現。電磁能產生自多種來源,而且由於都混合在一起,因此必須特別小心,確保在不同的電路、走線、過孔和PCB材料共同作業時,各種訊號相容而且不會相互干擾。

另一方面,EMI是由EMC或不想要的電磁能所產生的破壞效應。在這種電磁環境下,PCB設計人員必須確保減少電磁能的產生,使干擾減至最低。

以下介紹在PCB設計時避免電磁問題的7個小技巧。

技巧1:將PCB接地

降低EMI的一個重要途徑是設計PCB接地層。第一步是盡可能增加在電路板總面積內的PCB接地面積大,這樣可以減少放射、串擾和雜訊。將每個元件連接到接地點或接地層時必須特別小心,如果不這樣做,就無法充分利用可靠的接地層所提供的中和效果。

一個特別複雜的PCB設計有幾個穩定的電壓。理想情況下,每個參考電壓都有自己對應的接地層。但是,如果接地層太多會增加PCB的製造成本,使價格過高。折衷的辦法是在三到五個不同的位置分別使用接地層,每一個接地層可包含多個接地部分。這樣不僅控制了電路板的製造成本,同時也降低了EMI和EMC。

如果想使EMC最小,低阻抗接地系統十分重要。在多層PCB中,最好有一個可靠的接地層,而不是一個銅平衡塊(copper thieving)或散亂的接地層,因為它具有低阻抗,可提供電流通路,是最佳的反向訊號源。

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圖1:為解決多層PCB中的EMC問題,最好有一個可靠的接地層,而不是銅平衡塊(copper thieving)或散亂的接地層。訊號返回地面的時長也非常重要。

訊號往返於訊號源的時間必須相當,否則會產生類似天線的現象,使輻射的能量成為EMI的一部分。同樣地,向/從訊號源傳輸電流的走線應盡可能短,如果來源路徑和返回路徑的長度不相等,則會產生接地反彈,這也會產生EMI。

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圖2:如果訊號進出訊號源的時間不同步,則會產生類似天線的現象,從而輻射能量,引起EMI。

技巧2:區分EMI

由於EMI不同,一個很好的EMC設計規則是將類比電路和數位電路分開。類比電路的安培數較高或者說電流較大,應該遠離高速走線或開關訊號。如果可能的話,最好使用接地訊號保護它們。在多層PCB上,類比走線的佈線應在一個接地層上,而開關走線或高速走線則在另一個接地層。因此,不同特性的訊號就分開了。

有時可以用一個低通濾波器來消除與周圍走線耦合的高頻雜訊。濾波器可以抑制雜訊,返回穩定的電流。將類比訊號和數位訊號的接地層分開很重要。由於類比電路和數位電路有各自獨特的特性,將它們分開至關重要。數位訊號應該有數位接地,類比訊號應該終止於類比接地。 在數位電路設計中,有經驗的PCB佈局和設計工程師會特別注意高速訊號和時脈。在高速情況下,訊號和時脈應該盡可能短並鄰近接地層,因為如前所述,接地層可使串擾、雜訊和輻射保持在可控制的範圍。

數位訊號也應該遠離電源層。如果距離很近,就會產生雜訊或感應,從而削弱訊號。

技巧3:串擾和走線是重點

走線對確保電流的正常流動特別重要。如果電流來自振盪器或其它類似裝置,那麼讓電流與接地層分開,或者不讓電流與另一條走線平行,尤其重要。兩個平行的高速訊號會產生EMC和EMI,特別是串擾。必須使電阻路徑最短,返回電流路徑也盡可能短。返回路徑走線的長度應該與發送走線的長度相同。

對於EMI,一條是作為干擾源的「入侵走線」(aggressor),另一條則是「受害走線」(victim)。電感和電容耦合會因為電磁場的存在而影響「受害走線」,從而在「受害走線」上產生正向和反向電流。這樣的話,在訊號的發送長度和接收長度幾乎相等的穩定環境中就會產生紋波。

在一個平衡良好、走線穩定的環境中,感應電流應相互抵消,從而消除串擾。但是,我們身處不完美的世界,這樣的事並不會發生。因此,我們的目標是必須將所有走線的串擾保持在最低程度。如果使平行走線之間的寬度為走線寬度的兩倍,則串擾的影響可降至最低。例如,如果走線寬度為5密耳(mil),則兩條平行走線之間的最小距離應為10 mil或更大。

隨著新材料和新的元件不斷出現,PCB設計人員還必須繼續因應電磁相容性和干擾問題。

技巧4:去耦電容

去耦電容可減少串擾的不良影響,它們應該位於裝置的電源接腳和接地接腳之間,這樣可以確保交流阻抗較低,減少雜訊和串擾。為了在寬頻率範圍內實現低阻抗,應使用多個去耦電容。

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圖3:在球閘陣列周圍使用去耦電容器可減少串擾。(圖片來源:NexLogic)

放置去耦電容的一個重要原則是,電容值最小的電容器要盡可能靠近裝置,以減少對走線產生電感影響。這一特定的電容器盡可能靠近裝置的電源接腳或電源走線,並將電容器的焊盤直接連到過孔或接地層。如果走線較長,請使用多個過孔,使接地阻抗最小。

技巧5:避免90°角

為了降低EMI,應該避免走線、過孔及其它元件形成90°角,因為直角會產生輻射。在該角處電容會增加,特性阻抗也會發生變化,導致反射,繼而引起EMI。 要避免90°角,走線應該至少以兩個45°角佈線到角落處。

技巧6:謹慎使用過孔

在幾乎所有的PCB佈局中,都必須使用過孔在不同層之間提供導電連接。PCB佈局工程師需特別小心,因為過孔會產生電感和電容。在某些情況下,它們還會產生反射,因為在走線中製作過孔時,特性阻抗會發生變化。

同樣值得注意的是,過孔會增加走線長度,需要進行匹配。如果是差分走線,應盡可能避免過孔。如果不能避免,則應在兩條走線中都使用過孔,以補償訊號和返回路徑中的延遲。

技巧7:電纜和實體遮罩

承載數位電路和類比電流的電纜會產生寄生電容和電感,引起很多EMC相關問題。如果使用雙絞線電纜,則會保持較低的耦合水準,消除產生的磁場。對於高頻訊號,則必須使用遮罩電纜,其正面和背面均接地,消除EMI干擾。

實體遮罩是用金屬封裝包住整個或部分系統,防止EMI進入PCB電路。這種遮罩就像是封閉的接地導電容器,可減小天線迴路尺寸並吸收EMI。

編譯:Jenny Liao

(參考原文:7 Tips for Overcoming PCB Electromagnetic Issues, Zulki Khan, NexLogic)