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**详细PCB设计攻略!
3 EMI 辐射干扰
3.1 电场和磁场发射
辐射干扰的测试在专门的屏蔽室中进行,待测试的设备放在转台上,天线分别放在水平和垂直的位置上下移动扫描,检测到信号送到接收机进行分析。
辐射干扰的测试包括电场发射和磁场发射,电场发射由du/dt产生,磁场发射由di/dt产生。注意:空间电容是电场发射的通道,共模电流可以产生相当大的电场发射。.
初级绕组电压变化的幅值大,对于电场发射起主导作用。磁芯也是一个电场发射源。在系统的PCB底层铺铜皮或额处加一块铜皮或单面板,可以有效的减小电场发射和共模电流。
高di/dt 的环路通过环路的寄生电感产生磁场发射,次级侧的电流变化幅值大,对于磁场发射的起主导作用。磁场发射形成的方向见图27所示,方向符合右手定则。
高di/dt环路的寄生电感随环路面积增大而增大,因此磁场发射对于PCB的设计非常关键。次级侧的电流环面积要尽量的小,布线要尽量的短粗。
变压器的杂散磁场也是一个磁场发射源,其主要由变压器的气隙产生。E型磁芯在两侧开气隙时杂散磁场大,在中心柱开气隙时杂散的磁场小。在变压器的较外面包裹铜皮,铜皮两端短接,用导线连接到冷点,可以减小杂散的磁场。因为杂散磁场在铜皮中产生涡流,涡流反过来产生磁场阻碍变压器杂散磁通的外泄。输出棒状及鼓状的差模电感如同一个天线产生大的磁场发射。使用前述的相关的缓冲吸引电路可以减小相应的磁场发射。
注意:手机充电器要带长的输出线(1.8m)进行测试,长的输出导线也如同一个天线,并将共模电流放大,从而形成较大的共模电场辐射,这种辐射只有通过上面变压器的结构进行抑止,在没有频率拌动或频率调制的系统中,还得加输出共模电感。才能有效的减小在30~50M间的电场发射。
需要说明的是:传导和辐射及差模和共模电流间可以相互转换,具体的理论相当复杂,远远**出作者的知识范围,特表歉意。
3.2 共模电感设计
共模电感的两个绕组分别与输出的二根线串联,注意到当输出电流在每个绕组流过时,它们在磁芯中形成的磁通方向是相反的,可以相互的抵消,平衡的条件下磁芯中的磁通为0,因此共模电感不会因为输出的负载电流产生饱和。当同方向的共模电流在两个绕组中流过时,其在磁芯中形成的磁通方向是相同,阻抗增加,从而衰减共模电流信号。
设计过程:
① 选择磁芯材料
铁氧体是一个较好的具有成本优势的材料。
② 设定电感的阻抗
对于一个给定的要求衰减的频率,定义此频率下共模电感的感抗为50~100Ω,即至少50%的衰减,因此有:Z =ωL
③ 选择磁芯的形状的和尺寸
成本低漏感小的环形磁芯非常适合于共模电感,但是这种形状不容易实现机械化绕制,一般用手工绕制。磁环尺寸的大小选取有一定的随意性,通常基于PCB的尺寸选取合适的磁芯。为了减小共模电感的寄生电容,共模电感通常只用单层的线圈。若单层绕制时磁芯无法容纳所有的线圈,则选用大一号尺寸的磁环。当然也可以基于磁芯的数据手册由LI的乘积选取。
④ 计算线圈的匝数
由磁芯的电感系数AL计算共模电感的圈数:
⑤ 计算导线的线径
导线允许通过的电流密度选取为:400~800A/cm²,由此可以得到要求的线径。
3.3 频率抖动或调制
事实上,噪声是基于特定的频带和步长(传导是9KHz)来检测的,当开关频率固定时,基于开关频率的电流变化和电压变化的高频高次谐波如2次,3次,4次,…… 会在一个特定的频率点处叠加,这样以此频率点为中心的一个窄带内噪声的值就较高。芯片有频率抖动或调制时,开关的频率不是固定的,而是在一定的范围内变化,频率变化的范围通常以名义的开关频率为中心上下变化不大于4KHz,以免影响到系统的正常工作。如基频即工作频率变化范围为±4KHz,则2次谐波频率变化的范围为±8KHz,3次谐波频率变化的范围为±12KHz ……,这样对于一个特定的频率点噪声在更宽的频带内分布,因此噪声的值降低。频率越高,特定的频率点频带分布越大,噪声值也就越低。
没有频率抖动或调制时谐波分布窄,噪声值在谐波频率点处较高。有频率抖动或调制时,谐波值平滑而且较小,从图29至图32还可以看出:频率抖动或调制对准峰值降低不大,而对平均值降低十分时显。在测试RE时,由于频率抖动或调制的作用,即使从波形看某一频点似乎没有余量,但接收机在读点时很难抓取到幅值较大点,因此读点时读取值仍有范围内有一定余量。
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PCB设计中,这五大规则堪称经典!
规则五高速PCB设计的布线方向规则
相邻两层间的走线必须遵循垂直走线的原则,否则会造成线间的串扰,增加EMI辐射。简而言之,相邻的布线层遵循横平竖垂的布线方向,垂直的布线可以抑制线间的串扰。
规则六高速PCB设计中的拓扑结构规则
在高速PCB设计中,线路板特性阻抗的控制和多负载情况下的拓扑结构的设计,直接决定着产品的成功还是失败。图示为菊花链式拓扑结构,一般用于几Mhz的情况下为益。高速PCB设计中建议使用后端的星形对称结构。
规则七走线长度的谐振规则
检查信号线的长度和信号的频率是否构成谐振,即当布线长度为信号波长1/4的时候的整数倍时,此布线将产生谐振,而谐振就会辐射电磁波,产生干扰。
规则八回流路径规则
所有的高速信号必须有良好的回流路径。尽可能地保证时钟等高速信号的回流路径较小。否则会较大的增加辐射,并且辐射的大小和信号路径和回流路径所包围的面积成正比。
规则九器件的退耦电容摆放规则
退耦电容的摆放的位置非常的重要。摆放不合理根本起不到退耦的效果。其原则是:靠近电源的管脚,并且电容的电源走线和地线所包围的面积较小。
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一个关于F-16战斗机的故事
笔者曾参与F-16战斗机的雷达干扰装置设计,了解到有些公司可能也遭遇过的系统性PCB问题;电路板布线被认为是机械工程任务,因此我们的电子工程师把电路图丢出来,让其他部门去做电路板布线工作。
我拿到的电路板上有非常高速的发射耦合逻辑(ECL)振荡器,但该8层电路板原型无法运作;因为有非常充足的电路板层面空间,我很疑惑他们到底是怎么把设计搞砸的。结果发现,机械工程师为了简化位于所有零件下方的铝制散热器设计,是按照形状来安排零组件位置的;那颗ECL芯片位于电路板左上方,电阻被放在中间,晶体振荡器则在右下角,距离ECL芯片整整8吋。
从那时候我们都会确保机械工程师在进行PCB上的零组件布置时,旁边有坐一个电子工程师,而且会在准备制造之前审查整个布局。
F-16战斗机的雷达干扰装置PCB,在所有的零组件下方有一个铝制散热器;千万别让机械工程师为了散热器设计而自作主张布局PCB,以免牺牲电子功能。
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PCB设计容易掉坑_先避免这5个易错点
六、表面贴装器件焊盘太短
这是对通断测试而言,对于太密表面贴装器件,其两脚之间间距相当小,焊盘也相当细,安装测试针,必须上下交错位置,如焊盘设计太短,虽然不影响器件安装,但会使测试针错不开位。
七、单面焊盘孔径设置
单面焊盘一般不钻孔,若钻孔需标注,其孔径应设计为零。如果设计了数值,这样在产生钻孔数据时,此位置就出现了孔座标,而出现问题。单面焊盘如钻孔应特殊标注。
八、焊盘重叠
在钻孔工序会因为在一处多次钻孔导致断钻头,导致孔损伤。多层板中两个孔重叠,绘出底片后表现为隔离盘,造成报废。
九、设计中填充块太多或填充块用较细线填充
产生光绘数据有丢失现象,光绘数据不完全。因填充块在光绘数据处理时是用线一条一条去画,因此产生光绘数据量相当大,增加了数据处理难度。
十、图形层滥用
在一些图形层上做了一些无用连线,本来是四层板却设计了五层以上线路,使造成误解。 违反常规性设计。设计时应保持图形层完整和清晰。
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