PCB系统设计指南

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PCB系统设计指南 1 2020 年 5 月 29 日 高速 PCB 设计指南之八 文档仅供参考 第一篇 掌握 IC 封装的特性以达到最佳 EMI 抑制性能 将去耦电容直接放在 IC 封装内能够有效控制 EMI 并提高信 号的完整性 ,本文从 IC 内部封装入手 ,分析 EMI 的来源、 IC 封装在 EMI 控制中的作用 ,进而提出 11 个有效控制 EMI 的设计规则 ,包括 封装选择、引脚结构考虑、输出驱动器以及去耦电容的设计方法 等 ,有助于设计工程师在新的设计中选择最合适的集成电路芯片 ,以 达到最佳 EMI 抑制的性能。

全书分为9章(第0章为考试指南),共编写了25个嵌入式系统设计案例。本书以系统开发生命周期为基线,分别对嵌入式系统需求分析与体系结构设计、接口电路设计及其编程、嵌入式软件程序设计、嵌入式系统测试

现有的系统级 EMI 控制技术包括 : (1) 电路封闭在一个 Faraday 盒中 (注意包含电路的机械封装 应该密封 )来实现 EMI 屏蔽 ; (2) 电路板或者系统的 I/O 端口上采取滤波和衰减技术来实 现 EMI 控制 ; (3) 现电路的电场和磁场的严格屏蔽 ,或者在电路板上采取适 当的设计技术严格控制 PCB 走线和电路板层 (自屏蔽 )的 电容和电感 ,从而改进 EMI 性能。

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EMI 控制一般需要结合运用上述的各项技术。

全书分为9章(第0章为考试指南),共编写了25个嵌入式系统设计案例。本书以系统开发生命周期为基线,分别对嵌入式系统需求分析与体系结构设计、接口电路设计及其编程、嵌入式软件程序设计、嵌入式系统测试

一般来说 ,越接 近 EMI 源 ,实现 EMI 控制所需的成本就越小。

PCB 上的集成电路 芯片是 EMI 最主要的能量来源 ,因此如果能够深入了解集成电路芯 片的内部特征 ,能够简化 PCB 和系统级设计中的 EMI 控制。

PCB 板级和系统级的设计工程师一般认为 2020 年 5 月 29 日 ,它们能够接触到的 2 文档仅供参考 EMI 来源就是 PCB。

显然 ,在 PCB 设计层面 ,确实能够做很多的工 作来改进 EMI 。

然而在考虑 EMI 控制时 ,设计工程师首先应该考虑 IC 芯片的选择。

集成电路的某些特征如封装类型、偏置电压和芯 片的工艺技术 (例如 CMOS 、ECL 、 TTL) 等都对电磁干扰有很大的 影响。

本文将着重讨论这些问题 ,而且探讨 IC 对 EMI 控制的影 响 。

1 、 EMI 的 来 源 数字集成电路从逻辑高到逻辑低之间转换或者从逻辑低到逻辑 高之间转换过程中 ,输出端产生的方波信号频率并不是导致 EMI 的 唯一频率成分。

该方波中包含频率范围宽广的正弦谐波分量 ,这些 正弦谐波分量构成工程师所关心的 EMI 频率成分。

最高 EMI 频率 也称为 EMI 发射带宽 ,它是信号上升时间而不是信号频率的函数。

计 算 EMI 发 射 带 宽 的 公 式 为 : F=0.35/Tr 其中 :F 是频率 ,单位是 GHz;Tr 是单位为 ns(纳秒 )的信号上升时 间 或 者 下 降 时 间 。

从上述公式中不难看出 ,如果电路的开关频率为 50MHz, 而采用的 集成电路芯片的上升时间是 1ns,那么该电路的最高 EMI 发射频率 将达到 350MHz, 远远大于该电路的开关频率。

而如果 IC 的上升时 间为 500ps,那么该电路的最高 EMI 发射频率将高达 700MHz 。

众 3 2020 年 5 月 29 日 文档仅供参考 所周知 ,电路中的每一个电压值都对应一定的电流 ,同样每一个电流 都存在对应的电压。

当 IC 的输出在逻辑高到逻辑低或者逻辑低到 逻辑高之间变换时 ,这些信号电压和信号电流就会产生电场和磁场 , 而这些电场和磁场的最高频率就是发射带宽。

电场和磁场的强度 以及对外辐射的百分比 ,不但是信号上升时间的函数 ,同时也取决于 对信号源到负载点之间信号通道上电容和电感的控制的好坏 ,在此 , 信号源位于 PCB 板的 IC 内部 ,而负载位于其它的 IC 内部 ,这些 IC 可能在 PCB 上 ,也可能不在该 PCB 上。

为了有效地控制 EMI, 不但 需要关注 IC 芯片自身的电容和电感 ,同样需要重视 PCB 上存在的 电 容 和 电 感 。

当信号电压与信号回路之间的耦合不紧密时 ,电路的电容就会减 小,因而对电场的抑制作用就会减弱 ,从而使 EMI 增大 ; 电路中的电 流也存在同样的情况 ,如果电流同返回路径之间耦合不佳 ,势必加大 回路上的电感 ,从而增强了磁场 ,最终导致 EMI 增加。

换句话说 ,对 电场控制不佳一般也会导致磁场抑制不佳。

用来控制电路板中电 磁场的措施与用来抑制 IC 封装中电磁场的措施大致相似。

正如同 PCB 设 计 的 情 况 ,IC 封 装 设 计 将 极 大 地 影 响 EMI 。

电路中相当一部分电磁辐射是由电源总线中的电压瞬变造成 的。

当 IC 的输出级发生跳变并驱动相连的 PCB 线为逻辑 ”高 ” 时 ,IC 芯片将从电源中吸纳电流 ,提供输出级所需的能量。

对于 IC 不断转换所产生的超高频电流而言 ,电源总线始于 PCB 上的去耦网 4 2020 年 5 月 29 日 文档仅供参考 络,止于 IC 的输出级。

如果输出级的信号上升时间为 1.0ns,那么 IC 要在 1.0ns 这么短的时间内从电源上吸纳足够的电流来驱动 PCB 上的传输线。

电源总线上电压的瞬变取决于电源总线路径上的电 感、吸纳的电流以及电流的传输时间。

电压的瞬变由下面的公式 所 定 义 : V=Ldi/dt, 其中 :L 是电流传输路径上电感的值 ;di 表示信号上升时间间隔 内 电 流 的 变 化 ;dt 表 示 电 流 的 传 输 时 间 ( 信 号 的 上 升 时 间 ) 。

由于 IC 管脚以及内部电路都是电源总线的一部分 ,而且吸纳电 流和输出信号的上升时间也在一定程度上取决于 IC 的工艺技术 , 因此选择合适的 IC 就能够在很大程度上控制上述公式中提到的所 有 三 个 要 素 。

2 、 IC 封 装 在 电 磁 干 扰 控 制

布线拓朴对信号完整性的影响当信号在高速PCB板上沿传输线传输时可能会产生信号完整性问题。意法半导体的网友tongyang问:对于一组总线(地址,数据,命令)驱动多达4、5个设备(FLASH、SDRAM等)的情况,在PCB布线时,是总线依次到达各设备,如先连到SDRAM,再到FLASH…还是总线呈星型分布,即从某处分离,分别连到各设备。这两种方式在信号完整性上.对此,李宝龙指出,布线拓扑对信号完整性的影响,主要反映在各个节点上信号到达时刻不一致,反射信号同样到达某节点的时刻不一致,所以造成信号质量恶化。一般来讲,星型拓扑结构,可以通过控制同样长的几个分支,使信号传输和反射时延一致,达到比较好的信号质量。在使用拓扑之间,要考虑到信号拓扑节点情况、实际工作原理和布线难度。不同的Buffer,对于信号的反射影响也不一致,所以星型拓扑并不能很好解决上述数据地址总线连接到FLASH和SDRAM的时延,进而无法确保信号的质量;另一方面,高速的信号一般在DSP和SDRAM之间通信,FLASH加载时的速率并不高,所以在高速仿真时只要确保实际高速信号有效工作的节点处的波形,而无需关注FLASH处波形;星型拓扑比较菊花链等拓扑来讲,布线难度较大,尤其大量数据地址信号都采用星型拓扑时。焊盘对高速信号的影响在PCB中,从设计的角度来看一个过孔主要由两部分组成:中间的钻孔和钻孔周围的焊盘。有名为fulonm的工程师请教嘉宾焊盘对高速信号有何影响,对此,李宝龙表示:焊盘对高速信号有影响,其影响类似器件的封装对器件的影响。详细的分析,信号从IC内出来以后,经过邦定线、管脚、封装外壳、焊盘、焊锡到达传输线,这个过程中的所有关节都会影响信号的质量。但实际分析时,很难给出焊盘、焊锡加上管脚的具体参数。所以一般就用IBIS模型中的封装的参数将他们都概括了,当然这样的分析在较低的频率上可以接收,但对于更高频率信号更高精度仿真就不够精确。现在的一个趋势是用IBIS的V-I、V-T曲线描述Buffer特性,用SPICE模型描述封装参数。如何抑制电磁干扰PCB是产生电磁干扰(EMI)的源头,所以PCB设计直接关系到电子产品的电磁兼容性(EMC)。如果在高速PCB设计中对EMC/EMI予以重视,将有助缩短产品研发周期加快产品上市时间。因此,不少工程师在此次论坛中非常关注抑制电磁干扰的问题。例如,无锡祥生医学影像有限责任公司的舒剑表示,在EMC测试中发现时钟信号的谐波超标十分严重,请问是不是要对使用到时钟信号的IC的电源引脚做特殊处理,目前只是在电源引脚上连接去耦电容。在PCB设计中还有需要注意哪些方面以抑止电磁辐射呢?对此,李宝龙指出,EMC的三要素为辐射源,传播途径和受害体。传播途径分为空间辐射传播和电缆传导。所以要抑制谐波,首先看看它传播的途径。电源去耦是解决传导方式传播,此外,必要的匹配和屏蔽也是需要的。李宝龙也在回答WHITE网友的问题时指出,滤波是解决EMC通过传导途径辐射的一个好办法,除此之外,还可以从干扰源和受害体方面入手考虑。干扰源方面,试着用示波器检查一下信号上升沿是否太快,存在反射或Overshoot、undershoot或ringing,如果有,可以考虑匹配;另外尽量避免做50%占空比的信号,因为这种信号没有偶次谐波,高频分量更多。受害体方面,可以考虑包地等措施。RF布线是选择过孔还是打弯布线对此,李宝龙指出,分析RF电路的回流路径,与高速数字电路中信号回流不太一样。二者有共同点,都是分布参数电路,都是应用Maxwell方程计算电路的特性。但射频电路是模拟电路,有电路中电压V=V(t)、电流I=I(t)两个变量都需要进行控制,而数字电路只关注信号电压的变化V=V(t)。因此,在RF布线中,除了考虑信号回流外,还需要考虑布线对电流的影响。即打弯布线和过孔对信号电流有没有影响。此外,大多数RF板都是单面或双面PCB,并没有完整的平面层,回流路径分布在信号周围各个地和电源上,仿真时需要使用3D场提取工具分析,这时候打弯布线和过孔的回流需要具体分析;高速数字电路分析一般只处理有完整平面层的多层PCB,使用2D场提取分析,只考虑在相邻平面的信号回流,过孔只作为一个集总参数的R-L-C处理内容来自www.egvchb.cn请勿采集。

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