電路設計性能優(yōu)化對EMC的控制

2020-08-11

電磁干擾（EMI）可能會(huì )對電路板的預期操作和性能造成嚴重問(wèn)題。要管理這種干擾，就需要將板上的電路設計為與板上或附近電子設備中的其他電路電磁兼容（EMC）。我們將仔細研究這意味著(zhù)什么，以及一些優(yōu)化設計以實(shí)現好的EMC電路性能的技術(shù)。是的，我還有那個(gè)午餐盒。我只是在等待它的價(jià)格在eBay上提升以獲得豐厚的回報。

電磁干擾可以在印刷電路板上以不同的方式產(chǎn)生，并且可以通過(guò)空氣輻射或由板材料傳導。EMI的來(lái)源包括如何配置板層堆疊，如何放置零件以及使用了哪些技術(shù)布線(xiàn)。如您所見(jiàn)，良好的電路布局技術(shù)對于控制這些EMI輻射至關(guān)重要，這反過(guò)來(lái)又可以防止它們污染其他電路或附近的設備。為了使電路和附近的設備一起工作，整個(gè)EMI防護過(guò)程稱(chēng)為電磁兼容性。

所有這一切的目的是創(chuàng )建一種可以通過(guò)所需標準和測試的電路板。有通用標準，產(chǎn)品標準和產(chǎn)品系列標準。電路板要測試的標準取決于其功能和應用程序。例如，設計用于汽車(chē)用途的電路板具有多種標準要滿(mǎn)足，例如CISPR 12和CISPR 25以及ISO 11451和ISO11452。在汽車(chē)環(huán)境中，可能有數百種不同的汽車(chē)系統創(chuàng )建窄帶和寬帶發(fā)射。電路板必須能夠正常運行，而不會(huì )受到該環(huán)境的排放的影響，并且必須不會(huì )污染附近的其他系統。

接下來(lái)，我們將研究電路板上可能產(chǎn)生EMI問(wèn)題的某些潛在設計領(lǐng)域。

如前所述，電路的布局方式對于EMC的控制效果至關(guān)重要。讓我們將其分為三個(gè)不同的區域：

板層結構

電路板由導電和非導電材料層構成，這些層的配置方式會(huì )對EMI產(chǎn)生巨大影響。例如，六層板的電源和接地層位于疊層中間，位于第3層和第4層，不會(huì )為其他布線(xiàn)層提供太多屏蔽。通過(guò)將這些平面層移到2和5，它們現在將為在3和4層之間路由的信號提供很好的屏蔽。

元件放置

組件放置時(shí)應牢記其最敏感或最“嘈雜”的網(wǎng)，以使其盡可能短而直接地布線(xiàn)。對于希望大電流線(xiàn)路具有最短和最寬走線(xiàn)的電源，尤其如此。高速時(shí)鐘線(xiàn)和其他敏感信號也將需要最短和最直接的路徑，以很大程度地降低其輻射EMI的能力。為此，必須針對信號路徑路由優(yōu)化組件放置。 

連接性

正如我們所說(shuō)，大電流和敏感線(xiàn)路需要盡可能短地布線(xiàn)，但是還有許多其他連接注意事項：

為了防止相鄰層上信號之間的寬邊耦合（串擾），不同層上的信號路由應交替選擇路由方向。

高速傳輸線(xiàn)應使用具有相鄰接地平面的微帶或帶狀線(xiàn)配置進(jìn)行布線(xiàn)。

敏感線(xiàn)之間的走線(xiàn)間距應比常規走線(xiàn)間距大。

應計算受控阻抗線(xiàn)，并以精確的寬度布線(xiàn)

接地層的設計應確保信號返回路徑暢通，尤其是對于高速信號。

從這些開(kāi)始，您將可以很好地降低電路設計中EMI的可能性?，F在讓我們進(jìn)一步研究一些可以提供幫助的特定設計技術(shù)。

電路設計技術(shù)可優(yōu)化EMC電路性能

可以用來(lái)幫助控制EMI的技術(shù)之一是將設計規則和約束系統放入您的電路設計系統中。許多CAD工具都具有出色的規則和約束系統，可讓您指定特定的線(xiàn)寬，間距，層和布線(xiàn)方向。當您嘗試控制電源和接地等網(wǎng)絡(luò )的走線(xiàn)寬度時(shí)，這非常重要。

路由時(shí)，高速網(wǎng)絡(luò )還將需要跟蹤模式或“拓撲”。在這里，約束可以通過(guò)指定引腳之間的連接性來(lái)幫助，以便使用正確的拓撲布線(xiàn)。還可以設置約束來(lái)控制特定網(wǎng)絡(luò )的長(cháng)度，或匹配其他網(wǎng)絡(luò )的長(cháng)度。當必須布線(xiàn)其長(cháng)度必須精確以確?？梢栽谙嚓P(guān)時(shí)鐘信號的上升沿和下降沿捕獲數據時(shí)，這一點(diǎn)很重要。

設計規則和約束不僅適用于布線(xiàn)軌跡 ; 他們還可以幫助設計的許多其他方面。例如，您可以設置零件放置的間隙，以確保零件之間的正確距離?？梢葬槍蝹€(gè)組件或組件類(lèi)別完成此操作。您還可以設置用于特定網(wǎng)絡(luò )的通孔規則以及許多其他規則，以確?？梢猿晒χ圃祀娐钒?。

控制電路板上EMI的另一種重要方法是設計電源和接地層。您在電路板上布線(xiàn)的每個(gè)信號都必須返回其原點(diǎn)，這通常是通過(guò)接地層實(shí)現的。但是，如果接地層充滿(mǎn)障礙物，例如其他電源的分割或接地網(wǎng)，切口或什至是很多孔，則返回信號可能最終會(huì )四處游蕩，試圖找到返回的路徑。這種游蕩會(huì )產(chǎn)生很多EMI，特別是當高速信號被阻塞時(shí)。

以下是電路設計工具中的一些功能，可以幫助您創(chuàng )建具有受控EMC的電路設計：

約束管理：您需要功能全面的規則和約束管理系統，該系統將使您能夠控制設計的各個(gè)方面，從跡線(xiàn)寬度到布線(xiàn)拓撲。

模擬器和分析儀：通過(guò)在布局電路板之前發(fā)現電路和設計問(wèn)題，可以避免很多EMI問(wèn)題，這些問(wèn)題以后可能會(huì )讓您驚訝。此外，布局系統中可用的許多分析功能可以幫助您在構建電路板之前找到設計問(wèn)題。

阻抗計算器：要設置正確的層結構，您需要知道層的順序，以獲得信號性能。阻抗計算器等內置工具可在此處幫助您在開(kāi)始布局和布線(xiàn)之前定義電路板要求。

在線(xiàn)鏈接和數據交換：關(guān)于如何為您的設計構建成功的電路板層堆疊，有大量數據和信息可用，但是將這些數據導入工具一直是瓶頸。借助IPC-2581雙向數據交換格式，您現在可以將制造商直接將板層堆疊信息（包括板材料和厚度）直接放入設計中。