PCB降噪：您需要隔離、屏蔽還是濾波器？

2022-04-07

PCB降噪：您需要隔離、屏蔽還是濾波器？

在設計人員在其PCB中面臨的所有噪聲和操作挑戰中，有一個(gè)可以說(shuō)是最受歡迎的總體問(wèn)題：電子噪聲。您在系統中查明的任何噪音都可能有一個(gè)或多個(gè)可能的原因和解決方案。它可能起源于 SI/PI 問(wèn)題，可能來(lái)自某些外部來(lái)源，也可能是老式的串擾！

每當在信號上測量到一些噪聲并給整個(gè)系統帶來(lái)一些操作問(wèn)題時(shí)，您應該使用什么解決方案？這些往往分為三類(lèi)：添加屏蔽、做一些事情以創(chuàng )建隔離或放置過(guò)濾器。讓我們看看所有這些，因為它們往往是面對許多噪聲問(wèn)題時(shí)的默認解決方案集。

第 1 步：確定來(lái)源

這聽(tīng)起來(lái)很明顯，但在您開(kāi)始嘗試任何類(lèi)型的過(guò)濾或屏蔽來(lái)降低噪音之前，您應該嘗試識別系統中的噪音來(lái)源。你會(huì )驚訝于我收到關(guān)于噪音的問(wèn)題的頻率，但尚未調查可能導致問(wèn)題開(kāi)始的原因。不要跳過(guò)調查并直接找到解決方案，花時(shí)間確定源頭。

事實(shí)證明，如果您的噪聲源于數字系統中的電源完整性問(wèn)題 ，則三個(gè)默認選項（過(guò)濾、隔離和屏蔽）中的任何一個(gè)都無(wú)法解決問(wèn)題。這是一個(gè)疊加和布局問(wèn)題，簡(jiǎn)單明了。但是，如果您正在處理諸如允許過(guò)多噪聲在功率級之間通過(guò)的電源系統之類(lèi)的東西，那么您可能只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的濾波器電路。采取一些步驟，通過(guò)一些簡(jiǎn)單的測量來(lái)縮小噪聲類(lèi)型，或者至少診斷問(wèn)題的位置：

進(jìn)行直接測量；即使是低成本的示波器或簡(jiǎn)單的萬(wàn)用表也可以查明問(wèn)題（例如，接地反彈、過(guò)多的交流紋波等）

從問(wèn)題開(kāi)始，倒退到信號源；噪音問(wèn)題通常從發(fā)現問(wèn)題的地方開(kāi)始

這些探頭和示波器是定位PCB中噪聲的理想工具。

過(guò)濾

當您只希望特定頻率或頻率范圍到達互連的負載端時(shí)，最好使用濾波電路和組件。翻轉這個(gè)；濾波器也可用于從互連中去除一個(gè)特定的問(wèn)題頻率（例如，陷波濾波器）。濾波最好留給模擬或射頻設計師；您不應該使用濾波電路來(lái)嘗試從承載數字信號的互連中去除噪聲。對于射頻和模擬系統，帶通濾波通常用于將信號傳遞到接收器并防止噪聲。

電力系統還將使用濾波器，主要用于穩壓器的輸出級或設備連接到主（未穩壓）電源的輸入級。在這種用法中，濾波器用于嘗試去除傳導的共模電流。請注意，開(kāi)關(guān)穩壓器拓撲具有內置的電感濾波器。如果調節器級的輸出噪聲太大，則可能需要增加調節器的電感（假設您已經(jīng)正確布置了電路板）。

隔離

這個(gè)術(shù)語(yǔ)有點(diǎn)模棱兩可，當我們談?wù)撛胍魰r(shí)可能會(huì )被過(guò)度使用。它經(jīng)常出現在混合信號PCB布局的背景下。據我所知，這指的是兩種可能的行動(dòng)方案：

拆分系統，使其位于兩個(gè)不同的接地平面之上

將網(wǎng)絡(luò )彼此分開(kāi)以減少串擾

對于混合信號系統，如果您遵循一些圍繞布局和布線(xiàn)的基本布局原則，您將不需要做一些不合需要的事情，例如拆分接地層。分離網(wǎng)絡(luò )始終是防止可能在系統 IO 上顯示為噪聲的串擾或干擾的好方法。

屏蔽

這應該是嘗試消除噪音的最后手段。PCB布局中有許多組件會(huì )產(chǎn)生噪聲問(wèn)題，因此很容易只針對這些組件進(jìn)行屏蔽而忽略其他所有內容。在使用屏蔽之前，請先查看下面的建議列表，然后考慮使用一些屏蔽選項。

該電纜上的屏蔽層有助于阻止干擾。

如果您確實(shí)發(fā)現需要屏蔽來(lái)克服噪聲問(wèn)題并通過(guò)EMC測試，則有一些商用屏蔽選項：

定制屏蔽罐，將覆蓋組件并接地

屏蔽墊片、化合物和網(wǎng)格

可放置在外殼中的鐵氧體板

最簡(jiǎn)單的屏蔽形式可能已經(jīng)存在于您的PCB中：您的接地層。只需重新設計疊層以使接地層更靠近您的組件，或者在沒(méi)有接地層的情況下添加接地層，將提供額外的屏蔽。

簡(jiǎn)單的數字示例

通常情況下，最好的PCB降噪解決方案可能涉及多個(gè)步驟?？紤]下面顯示的數字板密集布局的快照。假設問(wèn)題是兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )之間的串擾，導致其中一個(gè) IO 出現故障。這個(gè)問(wèn)題有兩個(gè)很好的解決方案：

通過(guò)將參考平面移動(dòng)到更靠近受害網(wǎng)絡(luò )的層來(lái)創(chuàng )建更多屏蔽。這將減少 在攻擊者和受害者網(wǎng)絡(luò )之間產(chǎn)生耦合的相互寄生。

增加攻擊者網(wǎng)絡(luò )和受害者網(wǎng)絡(luò )之間的間距。這也將減少網(wǎng)絡(luò )之間的相互寄生。

到目前為止，#1 將是最容易實(shí)現的。濾波器可能對消除噪聲毛刺攜帶的一些功率有效，但如果這是一個(gè)數字系統，那么濾波器也會(huì )消除一些信號，并且可能無(wú)法在接收組件的 IO 上正確讀取。

在一些密集布局中，最好的PCB降噪方法是將參考平面移近您的表層并將組件彼此分開(kāi)。

它從堆疊和放置開(kāi)始

雖然確實(shí)可以通過(guò)一些有針對性的屏蔽或過(guò)濾來(lái)解決特定的噪聲問(wèn)題，但您會(huì )在大多數電路板中發(fā)現的典型串擾和EMI問(wèn)題無(wú)法通過(guò)放置濾波器來(lái)解決。EMI問(wèn)題，如串擾、過(guò)度輻射、電源毛刺、信號毛刺，甚至一些傳導發(fā)射，都可以通過(guò)智能布局和布局來(lái)解決。如果您的疊層和放置正確，您就不必擔心過(guò)濾器、保護走線(xiàn)或屏蔽材料等愚蠢的東西。相反，請關(guān)注一些簡(jiǎn)單的規則：

將PCB接地層或多邊形放置在信號附近

規劃考慮您的特定信號頻率的接地策略

路由信號，同時(shí)沿每條路由保持具有明確定義的返回路徑的參考

學(xué)會(huì )發(fā)現會(huì )影響信號的寄生參數，特別是高 dV/dt 和 dI/dt 節點(diǎn)和環(huán)路

了解可能在您的特定電路或系統中產(chǎn)生噪聲的因素