PCB設計要考慮的模擬布局中的不同類(lèi)型的屏蔽

2021-02-23

電路板可能會(huì )受到傳入電磁干擾（EMI）的影響，并且還會(huì )影響其他具有傳出EMI的電子設備。有許多解決方案來(lái)阻止干擾，包括使用金屬屏蔽層或罐頭。關(guān)鍵是要在模擬布局中使用這些不同類(lèi)型的屏蔽，首先要從良好的PCB布局策略開(kāi)始。 

非屏蔽電子產(chǎn)品可能導致的問(wèn)題

許多類(lèi)型的干擾都會(huì )影響電子設備的性能。這些包括地面反彈，串擾和電源噪聲。不過(guò)，最大的擔憂(yōu)是電磁干擾。EMI會(huì )對電子設備的正常運行產(chǎn)生毀滅性影響，其結果既昂貴又危險。在醫療領(lǐng)域，電子設備（例如監護儀，除顫器和呼吸機）的故障可能會(huì )造成嚴重后果，這就是一個(gè)例子。 

如果未正確控制EMI，以下是電子設備可能遇到的一些問(wèn)題：

通訊中斷。

對無(wú)線(xiàn)設備的干擾。

來(lái)自傳感器的數據損壞。

電子元件故障。

軟件錯誤或故障。

EMI的危害是雙重的：電子器件可能會(huì )受到傳入EMI的損害，或者電路板會(huì )產(chǎn)生輸出EMI，從而損壞其他電子器件。為了限制潛在的問(wèn)題，有不同的標準來(lái)控制EMI輻射可接受和不可接受的范圍。例如，IEC 60601設定了醫療設備的標準，而CISPR 12和CISPR 25分別涵蓋了車(chē)輛外部和內部來(lái)源的干擾。

印刷電路板中最常見(jiàn)的EMI來(lái)源是板內部的，并且是由其布局問(wèn)題引起的。如果不加以糾正，則由這些問(wèn)題產(chǎn)生的EMI可能會(huì )破壞電路板的運行，直至最終導致故障。為避免這種情況，重要的是首先在電路板布局中使用良好的PCB設計技術(shù)，我們將在下面討論。

模擬組件之間的短直接路由。

模擬屏蔽始于良好的PCB設計

增強電子產(chǎn)品的抗EMI能力是電路板總體設計的一部分。以下是防止EMI時(shí)應考慮的PCB布局的四個(gè)主要領(lǐng)域：

板層堆疊

如何在PCB疊層中配置這些層是控制EMI必不可少的第一步。雖然減少層數以減少制造成本似乎很有吸引力，但該策略可能會(huì )損壞板的信號完整性。高速信號，靈敏的模擬網(wǎng)絡(luò )和嘈雜的電源電路都需要彼此隔離，并且可能需要在堆棧中添加其他層。為接地層提供足夠的層以屏蔽這些信號層免于發(fā)射或受到EMI的侵害也很重要。

元件放置

元件的放置方式也將極大地影響電路板屏蔽EMI問(wèn)題的方式。以下是一些需要牢記的一般準則：

將模擬電路與數字電路分開(kāi)。

將模擬組件緊密放置在一起，以縮短走線(xiàn)長(cháng)度。

提供足夠的旁路電容器以確保干凈的供電網(wǎng)絡(luò )。

在您的設計中包括低通濾波。

為確保您的設計符合EMC要求，務(wù)必根據功能對PCB組件進(jìn)行分組。您不希望數字電路流過(guò)電路板的模擬部分，除了那些將兩者直接連接在一起的信號。

電源和地平面

板層堆疊中的金屬平面提供了很多屏蔽，在帶狀線(xiàn)配置中，在兩個(gè)接地平面層之間的層上路由敏感信號是一種很好的做法。此外，以下是設計飛機時(shí)要記住的其他一些準則：

對于模擬和數字接地，請使用單獨的平面，以使其噪聲分開(kāi)。

在不流經(jīng)模擬電路區域的平面中提供清晰的數字信號返回路徑。

請小心分離平面，切口或平面上的孔，以免EMI穿過(guò)并為清晰的信號返回路徑造成障礙。

避免使用分割平面，但是如果有必要，請確保分割僅在一點(diǎn)處相互連接。分離平面之間的多個(gè)連接點(diǎn)會(huì )產(chǎn)生環(huán)路，從而導致天線(xiàn)輻射EMI。

跟蹤路由

有了良好的組件放置，您將已經(jīng)具備最佳跟蹤布線(xiàn)的必要基礎。但是，遵循這些布線(xiàn)指南以最小化EMI仍然很重要：

保持模擬信號和數字信號彼此分離，并將敏感信號與其他路由隔離。

保持模擬路由簡(jiǎn)短，并確保信號在其參考平面上具有清晰的返回路徑。

如果您沒(méi)有足夠的空間容納更寬的間隔，請使用保護走線(xiàn)來(lái)防止兩條并行模擬走線(xiàn)之間的串擾。如果需要，保護走線(xiàn)還可以幫助屏蔽模擬走線(xiàn)和數字走線(xiàn)。

使用過(guò)孔在電路的各個(gè)功能分區之間形成屏蔽邊界或柵欄。通孔圍欄既有效又易于安裝，但要權衡的是它們會(huì )占用電路板上的大量空間。

現在，我們已經(jīng)研究了一些有助于屏蔽的PCB設計準則，下面讓我們看一下在電路板上使用金屬屏蔽的方法。

電路板的模擬區域，用屏蔽層保護。

模擬布局中不同類(lèi)型的屏蔽的注意事項

為了進(jìn)一步屏蔽電路板免受EMI的影響，可以添加金屬屏蔽層或罐頭。目的是在板的關(guān)鍵區域中包含一個(gè)覆蓋所有四個(gè)側面和頂部的屏蔽層，同時(shí)將其焊接到組件下方的接地層，從而形成法拉第籠。在理想世界中，屏蔽層將完全封閉以阻止所有排放。然而，實(shí)際上，屏蔽層中需要有開(kāi)口，用于調節，熱冷卻，接縫和電路板的焊點(diǎn)。

在電路板上使用屏蔽時(shí)，另一個(gè)要考慮的問(wèn)題是，通常在自動(dòng)PCB組裝后，通過(guò)人工焊接將它們連接到板上。這花費時(shí)間并且增加了板的制造費用。它還增加了調試和測試的復雜性，以及返工PCB時(shí)的難度。但是，金屬屏蔽確實(shí)可以大大提高對EMI的保護程度，并且通常是電路板的要求。PCB屏蔽可由鍍錫軋鋼，鍍錫銅，不銹鋼和其他材料制成。