在電磁兼容層面分析印制電路板,要考慮三個(gè)基本問題:
  保證信號(hào)在板上可靠地傳輸,確保信號(hào)的完整性(Signal Integrity);
  抑制電磁干擾煟牛停桑牭拇播;
  加強(qiáng)防護(hù),防止因?yàn)榭箶_度不足引起靈敏度故障(Susceptibility Failure)。
  對(duì)于相對(duì)低頻的信號(hào)(信號(hào)的頻譜上限為100MHz),通常可以不考慮上述的問題。但是當(dāng)信號(hào)波長(λ)與信號(hào)線長度(l)可相互比擬時(shí)(l≥0.1λ),就需要考慮印制線的幾何尺寸、布線、線間間隔以及傳輸信號(hào)的上升、下降時(shí)間,脈沖寬度與周期等因素,以致需要用傳輸線理論(在某些場合需要用微波理論)來正確地分析信號(hào)的傳播。
  印制電路板上的印制線通??梢杂梦Ь€或帶狀線模型來模擬。微帶線模型由介質(zhì)基片一邊的導(dǎo)體帶和基片另一邊的金屬接地板構(gòu)成,它可用來模擬PCB表面層的印制導(dǎo)線。帶狀線模型由上下接地導(dǎo)體和中間導(dǎo)體帶構(gòu)成,接地板和導(dǎo)體帶之間是絕緣介質(zhì),它可以模擬多層PCB中間層的印制導(dǎo)線。

  一、 信號(hào)完整性
 ?。校茫律系男盘?hào)完整性問題主要包括時(shí)延、阻抗不匹配、地彈跳(Ground Bounce)、串音等。信號(hào)完整性問題會(huì)影響電子器件的穩(wěn)定工作。
  (1)信號(hào)時(shí)延:對(duì)于高頻信號(hào),傳輸時(shí)延應(yīng)該是電路設(shè)計(jì)者考慮的最基本的問題之一。傳輸時(shí)延與信號(hào)線的長度、信號(hào)傳輸速度的關(guān)系如下:
  式中:c—真空中的光速;
  εreff有效的相對(duì)電導(dǎo)率;
 ?。欤?mdash;信號(hào)線的長度。
  εreff與傳輸線周圍介質(zhì)有關(guān),對(duì)于微帶傳輸線來說,ε介于板的相對(duì)電導(dǎo)率與空氣相對(duì)電導(dǎo)率之間。在大多數(shù)系統(tǒng)中,信號(hào)傳輸線長度是影響時(shí)鐘脈沖相位差(colock skew)的最直接因素。時(shí)鐘脈沖相位差是指同時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào),到達(dá)接收端的時(shí)間不同步。時(shí)鐘脈沖相位差降低了信號(hào)沿到達(dá)的可預(yù)測性,如果時(shí)鐘脈沖相位差太大,會(huì)在接收端產(chǎn)生錯(cuò)誤的信號(hào),如圖l所示。傳輸線時(shí)延已經(jīng)成為時(shí)鐘脈沖周期(Clock Cycle)中的重要部分。
  (2)阻抗不匹配:阻抗不匹配可以由驅(qū)動(dòng)源,傳輸線和負(fù)載的阻抗不同引起,也可由傳輸線的不連續(xù)熇如導(dǎo)通孔、短截線犚起,另外由于返回路徑上局部電感、電容的變化,返回路徑不連續(xù)也會(huì)導(dǎo)致阻抗不連續(xù)。這種阻抗的不匹配,會(huì)導(dǎo)致反射和阻尼振蕩。反射會(huì)引起信號(hào)的振鈴煟遙椋睿紓椋睿紓犗窒螅即在穩(wěn)態(tài)信號(hào)上下產(chǎn)生的電壓過沖和下沖現(xiàn)象,如圖2所示。為了將電壓的過沖/下沖限制在合理的范圍內(nèi)(不超出穩(wěn)態(tài)值的l0%~15%),應(yīng)該遵循下面這樣一個(gè)原則:信號(hào)的上升時(shí)間要小于信號(hào)在印制導(dǎo)線上來回引起的傳輸時(shí)延。即: tr≤2lp/tppd
  式中:tr—指信號(hào)的上升時(shí)間;
  lp—信號(hào)線的長度;
 ?。魀pd—信號(hào)線單位長度引起的延時(shí)。
  振鈴現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致誤觸發(fā),為了消除振鈴現(xiàn)象的影響,方法之一就是等待信號(hào)穩(wěn)定下來,但這又會(huì)減小系統(tǒng)最大可能的時(shí)鐘速率。
  (3)地彈跳(Gound Bounce):所謂地彈跳,是指在某一集成電路開關(guān)時(shí),由于PCB的地線以及集成電路的接地引線具有一定的電感,相應(yīng)會(huì)引起器件內(nèi)部地電位短暫的沖擊或下降。而來自其它器件的輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào),或者由此器件輸出信號(hào)所驅(qū)動(dòng)的其他器件,都是以外部系統(tǒng)地為參考的。這種參考地電位的不一致,可能會(huì)導(dǎo)致器件的輸入門檻或輸出電平的改變,從而給高速PCB的設(shè)計(jì)帶來問題。對(duì)于電源來說,也存在類似的問題。
  (4)串音:通??煞譃閮刹糠?,即公共阻抗耦合和電磁場耦合。公共阻抗耦合是因?yàn)椴煌盘?hào)共用公共返回路徑引起的,這種耦合通常在低頻時(shí)起決定作用。電磁場耦合又可分為電感耦合與電容耦合。串音屬于近場問題,在PCB0上,串音與線的長度、線的間距、線中傳輸信號(hào)的方向以及參考地平面的狀況有關(guān)。例如地平面上的裂縫(Split)會(huì)使跨越裂縫的鄰近線路的串音增加,引起信號(hào)波形畸變。
  2 減小傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射
  電磁干擾問題主要包括傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射問題。電磁兼容中所謂的發(fā)射,是指“從源向外發(fā)出電磁能的現(xiàn)象”,與一般通信領(lǐng)域中人為的向外發(fā)射電磁波不同,PCB中的發(fā)射常常是無意的。輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)通常覆蓋30MHz~1GHz的范圍,在不久的將來將擴(kuò)展至5~40GHz。對(duì)于傳導(dǎo)發(fā)射,FCC將范圍限
  制在0.45~30MHz,而CISPR將下限延伸0.15MHz。濾波是抑制傳導(dǎo)發(fā)射的一種重要方法。對(duì)離開PCB板的信號(hào)線進(jìn)行濾波,可以抑制傳導(dǎo)發(fā)射的傳播。
  高頻時(shí),PCB上的印制線就像一個(gè)單極天線(mono-pole Antennas)或環(huán)形天線(Loop Antennas),向外輻射能量。輻射發(fā)射可以分為兩種基本類型:差模輻射和共模輻射。
  差模輻射是由于閉合環(huán)路中的電流熂此謂的差模電流犚起的。輻射的強(qiáng)度與環(huán)的面積、電流的大小及頻率的平方成正比。通過減小上述因素,尤其是頻率,可以減小輻射的強(qiáng)度。另外,環(huán)的輻射具有方向性,一個(gè)小電流環(huán)的電場輻射值在環(huán)所處的平面上最大,而在環(huán)的軸向上最小。
  共模輻射是由寄生效應(yīng),例如地線層、電源層或電纜上的感應(yīng)電流熕謂的共模電流犚起的。共模輻射與一個(gè)單極天線類似,輻射的強(qiáng)度與單位線長中的電流及頻率有關(guān),但對(duì)方向不敏感。
  由于差模電流產(chǎn)生的輻射是相減的,而共模電流產(chǎn)生的輻射是相加的,所以即使共模電流比差模電流小的多,也會(huì)產(chǎn)生程度相當(dāng)?shù)妮椛鋱?。例如,長為lm的電纜,其中間距為1.27mm的兩導(dǎo)線中流有30MHz、20mA的差模電流,會(huì)在3m外產(chǎn)生100μV/m輻射電場,而對(duì)共模電流來說,只需要8μA的電流就能產(chǎn)生同樣程度的輻射。在進(jìn)行遠(yuǎn)場分析時(shí),必須考慮共模輻射。
  3 加強(qiáng)防護(hù)
  防護(hù)的強(qiáng)度,隨產(chǎn)品的用途而定。對(duì)于無關(guān)緊要的電子產(chǎn)品,就不需要專門的防護(hù)。而對(duì)于軍用的電子產(chǎn)品及用于電廠與電網(wǎng)控制的電子設(shè)備,就需要加以最高等級(jí)的防護(hù),因?yàn)榧词故窃跇O端情況下,也要保證這些設(shè)備能正常工作。
  4 結(jié)論
  在設(shè)計(jì)印制電路板時(shí),必須考慮電磁兼容問題,以確保設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)。在高頻時(shí),簡單的電路模擬可能不再適用,而需要用傳輸線理論或微波理論來分析遇到的問題。