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高速DSP系统的电路板级电磁兼容性设计

2011-01-18 16:17
潇纵
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  印制线路板(PCB)提供电路元件和器件之间的电气连接,是各种电子设备最基本的组成部分,它的性能直接关系到电子设备质量的好坏。随着电子技术的发展,各种电子产品经常在一起工作,它们之间的干扰越来越严重,所以电磁兼容问题成为一个电子系统能否正常工作的关键。同样,随着PCB的密度越来越高,PCB设计的好坏对电路的干扰及抗干扰能力影响很大。要使电子电路获得最佳性能,除了元器件的选择和电路设计之外,良好的PCB布线在电磁兼容性中也是一个非常重要的因素。

  随着高速DSP技术的广泛应用,相应的高速DSP的PCB设计就显得十分重要。由于DSP是一个相当复杂、种类繁多并有许多分系统的数、模混合系统,所以来自外部的电磁辐射以及内部元器件之间、分系统之间和各传输通道间的串扰对DSP及其数据信息所产生的干扰,已严重地威胁着其工作的稳定性、可靠性和安全性。据统计,干扰引起的DSP事故占其总事故的90%左右。因此设计一个稳定、可靠的DSP系统,电磁兼容和抗干扰至关重要。

  1 DSP的电磁干扰环境

  电磁干扰的基本模型由电磁干扰源、耦合路径和接收机3部分组成,如图1所示。

  

  电磁干扰源包含微处理器微控制器、静电放电、瞬时功率执行元件等。随着大量高速半导体器件的应用,其边沿跳变速率非常快,这种电路可以产生高达300 MHz的谐波干扰。耦合路径可以分为空间辐射电磁波和导线传导的电压与电流。噪声被耦合到电路中的最简单方式是通过导体的传递,例如,有一条导线在一个有噪声的环境中经过,这条导线通过感应接收这个噪声并且将其传递到电路的其他部分,所有的电子电路都可以接收传送的电磁干扰。例如,在数字电路中,临界信号最容易受到电磁干扰的影响;模拟的低级放大器、控制电路和电源调整电路也容易受到噪声的影响。

  2 DSP电路板的布线和设计

  良好的电路板布线在电磁兼容性中是一个非常重要的因素,一个拙劣的电路板布线和设计会产生很多电磁兼容问题,即使加上滤波器和其他元器件也不能解决这些问题。

  正确的电路布线和设计应该达到如下3点要求:

  (1)电路板上的各部分电路之间存在干扰,电路仍能正常工作;

  (2)电路板对外的传导发射和辐射发射尽可能低,达到有关标准要求;

  (3)外部的传导干扰和辐射干扰对电路板上的电路没有影响。

  2.1 元器件的布置

  (1)元器件布置的首要问题是对元器件进行分组。元器件的分组原则有:按电压不同分;按数字电路和模拟电路分;按高速和低速信号分和按电流大小分。一般情况下都按照电压不同分或按数字电路与模拟电路分。

  (2)所有的连接器都放在电路板的一侧,尽量避免从两侧引出电缆。

  (3)避免让高速信号线靠近连接器。

  (4)在元器件安排时应考虑尽可能缩短高速信号线,如时钟线、数据线和地址线等。

  2.2 地线和电源线的布置

  地线布置的最终目的是为了最小化接地阻抗,以此减小从电路返回到电源之间的接地回路电势,即减小电路从源端到目的端线路和地层形成的环路面积。通常增加环路面积是由于地层隔缝引起的。如果地层上有缝隙,高速信号线的回流线就被迫要绕过隔缝,从而增大了高频环路的面积,如图2所示。

  

  图2中高速线与芯片之间进行信号传输。图2(a)中没有地层隔缝,根据“电流总是走阻抗最小的途径”,此时环路面积最小。图2(b)中,有地层隔缝,此时地环路面积增大,这样就产生如下后果:

  (1)增大向空间的辐射干扰,同时易受空间磁场的影响;

  (2)加大与板上其他电路产生磁场耦合的可能性;

  (3)由于环路电感加大,通过高速线输出的信号容易产生振荡;

  (4)环路电感上的高频压降构成共模辐射源,并通过外接电缆产生共模辐射。

  通常地层上的隔缝不是在分地时、有意识地加上的,有时隔缝是因为板上的过孔过于接近而产生的,因此在PCB设计中应尽量避免该种情况发生。

  电源线的布置要和地线结合起来考虑,以便构成特性阻抗尽可能小的供电线路。为了减小供电用线的特性阻抗,电源线和地线应该尽可能的粗,并且相互靠近,使供电回路面积减到最小,而且不同的供电环路不要相互重叠。在集成芯片的电源脚和地脚之间要加高频去耦电容,容量为0.01~0.1μF,而且为了进一步提高电源的去耦滤波的低频特性,在电源引入端要加上1个高频去耦电容和1个1~10μF的低频滤波电容。

  在多层电路板中,电源层和地层要放置在相邻的层中,从而在整个电路板上产生一个大的PCB电容消除噪声。速度最快的关键信号和集成芯片应当布放在临近地层一边,非关键信号则布放在靠近电源层一边。因为地层本身就是用来吸收和消除噪声的,其本身几乎是没有噪声的。

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