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PCB設計
PCB電磁兼容設計應參考的模塊劃分和器件布局
發布時間：2016-04-08 20:07:06
本文主要內容：在具體的電路中正確進行模塊劃分和器件布局
討論PCB的電磁兼容設計，不能不討論PCB的模塊劃分及關鍵器件布局。一方面是因為某些頻率發生器件、驅動器、電源模塊、濾波器件等在PCB上的相對位置和方向都會對電磁場的發射和接收產生巨大影響，另一方面是因為以上布局的優劣將直接影響到布線的質量。
模塊劃分
按功能劃分
各種電路模塊實現不同的功能，比如時鐘電路、放大電路、驅動電路、A/D、D/A轉換電路、I/O電路、開關電源、濾波電路等，它們實現的功能是各不相同的。
一個完整的設計可能包含了其中多種功能的電路模塊，在進行PCB設計時，可依據信號流向，對整個電路進行模塊劃分，從而保證整個布局的合理性，達到整體布線路徑最短，各個模塊互不交錯，減少模塊間互相干擾的可能性。
按頻率劃分
按照信號的工作頻率和速率可以對電路模塊進行劃分；高、中、低頻率漸次展開，互不交錯。
按信號類型劃分
按信號類型可以分為數字電路和模擬電路兩部分。
為了降低數字電路對模擬電路的干擾，使他們能和平共處，達到兼容狀態，在PCB布局時需要給他們定義不同的區域，從空間上進行必要的隔離，減小相互之間的耦合。對于數、模轉換電路，如A/D、D/A轉換電路，應該布放在數字電路和模擬電路的交界處，器件放置的方向應以信號的流向為前提，使信號引線距離最短，并使模擬部分的管腳位于數字地的上方。
器件布局
綜合布局
電路布局的一個原則就是應該按照信號流向關系，盡可能做到使關鍵的高速信號走線最短，其次考慮電路板的整齊、美觀。時鐘信號應盡可能短，若時鐘走線無法縮短，則應在時鐘線的兩側加屏蔽地線，對于比較敏感的信號線，也應考慮屏蔽措施。
時鐘電路具有較大的對外輻射，會對一些敏感的電路，特別是模擬電路產生較大的影響，因此在電路布局時應讓時鐘電路遠離其他無關電路，為了防止時鐘信號的對外輻射，時鐘電路一般應遠離I/O電路和電纜連接器。
低頻數字I/O電路和模擬I/O電路應靠近連接器布放，時鐘電路、高頻電路和存儲器等器件常布放在電路板的最靠近里邊的位置，中低頻邏輯電路一般放在電路板的中間位置；如果有A/D、D/A電路，則一般放在電路板的中間位置。
下面是一些基本要點。
- 1. 區域分割，不同功能種類的電路應該放于不同的區域，如對數字電路、模擬電路、接口電路、時鐘、電源等進行分區。
- 2. 數、模轉換電路應布放在數字電路區域和模擬電路區域的交界處。
- 3. 時鐘電路、高速電路、存儲器電路應布放在電路板最靠近里邊的位置，低頻數字I/O電路和模擬I/O電路應靠近連接器布放。
- 4. 應該采用基于信號流的布局，使關鍵信號的高頻信號的連線最短，而不是首先考慮電路板的整齊、美觀。
- 控制驅動部分遠離屏蔽體的局部開孔，并應盡快離開本板。
- 5. 晶體、晶振等應就近與對應的IC放置。
- 6. 基準電壓源（模擬電壓信號輸入線、A/D變換參考電源）要盡量遠離數字信號。
特殊器件的布局
電源部分
在分散供電的電路板上都要有一個或者多個DC/DC電源模塊，加上與之相關的電路，如濾波、防護等電路共同構成電路板電源的輸入部分。
現代的開關電源是EMI產生的重要源頭，干擾頻帶可以達到300MHz以上，系統中多個單板都有自己獨立的電源，但干擾卻能通過背板或空間傳播到其他的單板上，而單板供電線路越長，產生的問題越大，所以電源部分必須安裝在單板電源入口處，如果存在大面積的電源部分，也要求統一放在單板一側。
電源部分放置方向上主要是考慮輸入/輸出線的順暢，避免交叉。
另外，因為往往單板的電源部分相對比較獨立，而又常常會產生EMI的問題，所以推薦利用過孔帶或分割線將電源部分和其他電路部分進行分割。
時鐘部分
時鐘往往是單板最大的干擾源，也是進行PCB設計時最需要特殊處理的地方，布局時一方面要使時鐘源離單板的邊距離盡量大，另一方面要使時鐘輸出到負載的走線盡量短。
電感線圈
線圈（包括繼電器）是最有效的接收和發射磁場的器件，建議線圈放置在離EMI源盡量遠的地方，這些發射源可能是開關電流、時鐘輸出、總線驅動等。
線圈下方PCB板上不能有高速走線或敏感的控制線，如果不能避免，就一定要考慮線圈的方向問題，要使場強方向和線圈的平面平行，保證穿過線圈的磁力線最少。
總線驅動部分
隨著系統容量越來越大，總線速率越來越高，總線驅動能力要求也越來越高，而總線數量也大量增加，總線匹配難以做到十分完美，所以一般總線驅動器附近的輻射場強很強，總線驅動器是時鐘之外的另一主要EMI源。
在布局上，要求總線驅動部分離單板拉手條的距離盡量遠，減小對系統外的輻射，同時要求驅動后的信號到末端的距離盡量靠近。
濾波器件
濾波措施是必不可少也是最常用的手段，原理設計中提到了很多的濾波措施，比如去耦電容、三端電容、磁珠、電源濾波、接口濾波等，但在進行PCB設計時，如果濾波器的位置放置不當，那么濾波效果將大打折扣，甚至起不到濾波作用。
濾波器件的安裝一般考慮的是就近原則：
- 1. 去耦電容要盡量靠近IC的電源管腳；
- 2. 電源濾波要盡量靠近電源輸入或電源輸出；
- 3. 局部功能模塊的濾波要靠近模塊的入口；
- 4. 對外接口的濾波要盡量靠近接插件等。
在具體的電路中正確進行模塊劃分和器件布局
討論PCB的EMC設計，不能不討論PCB的模塊劃分及關鍵器件布局。一方面是因為某些頻率發生器件、驅動器、電源模塊、濾波器件等在PCB上的相對位置和方向都會對電磁場的發射和接收產生巨大影響，另一方面是因為以上布局的優劣將直接影響到布線的質量。
模塊劃分
按功能劃分
各種電路模塊實現不同的功能，比如時鐘電路、放大電路、驅動電路、A/D、D/A轉換電路、I/O電路、開關電源、濾波電路等，它們實現的功能是各不相同的。
一個完整的設計可能包含了其中多種功能的電路模塊，在進行PCB設計時，可依據信號流向，對整個電路進行模塊劃分，從而保證整個布局的合理性，達到整體布線路徑最短，各個模塊互不交錯，減少模塊間互相干擾的可能性。
按頻率劃分
按照信號的工作頻率和速率可以對電路模塊進行劃分；高、中、低頻率漸次展開，互不交錯。
按信號類型劃分
按信號類型可以分為數字電路和模擬電路兩部分。
為了降低數字電路對模擬電路的干擾，使他們能和平共處，達到兼容狀態，在PCB布局時需要給他們定義不同的區域，從空間上進行必要的隔離，減小相互之間的耦合。對于數、模轉換電路，如A/D、D/A轉換電路，應該布放在數字電路和模擬電路的交界處，器件放置的方向應以信號的流向為前提，使信號引線距離最短，并使模擬部分的管腳位于數字地的上方。
器件布局
綜合布局
電路布局的一個原則就是應該按照信號流向關系，盡可能做到使關鍵的高速信號走線最短，其次考慮電路板的整齊、美觀。時鐘信號應盡可能短，若時鐘走線無法縮短，則應在時鐘線的兩側加屏蔽地線，對于比較敏感的信號線，也應考慮屏蔽措施。
時鐘電路具有較大的對外輻射，會對一些敏感的電路，特別是模擬電路產生較大的影響，因此在電路布局時應讓時鐘電路遠離其他無關電路，為了防止時鐘信號的對外輻射，時鐘電路一般應遠離I/O電路和電纜連接器。
低頻數字I/O電路和模擬I/O電路應靠近連接器布放，時鐘電路、高頻電路和存儲器等器件常布放在電路板的最靠近里邊的位置，中低頻邏輯電路一般放在電路板的中間位置；如果有A/D、D/A電路，則一般放在電路板的中間位置。
下面是一些基本要點。
- 1. 區域分割，不同功能種類的電路應該放于不同的區域，如對數字電路、模擬電路、接口電路、時鐘、電源等進行分區。
- 2. 數、模轉換電路應布放在數字電路區域和模擬電路區域的交界處。
- 3. 時鐘電路、高速電路、存儲器電路應布放在電路板最靠近里邊的位置，低頻數字I/O電路和模擬I/O電路應靠近連接器布放。
- 4. 應該采用基于信號流的布局，使關鍵信號的高頻信號的連線最短，而不是首先考慮電路板的整齊、美觀。
- 5. 控制驅動部分遠離屏蔽體的局部開孔，并應盡快離開本板。
- 6. 晶體、晶振等應就近與對應的IC放置。
- 7. 基準電壓源（模擬電壓信號輸入線、A/D變換參考電源）要盡量遠離數字信號。
特殊器件的布局
電源部分
在分散供電的電路板上都要有一個或者多個DC/DC電源模塊，加上與之相關的電路，如濾波、防護等電路共同構成電路板電源的輸入部分。
現代的開關電源是EMI產生的重要源頭，干擾頻帶可以達到300MHz以上，系統中多個單板都有自己獨立的電源，但干擾卻能通過背板或空間傳播到其他的單板上，而單板供電線路越長，產生的問題越大，所以電源部分必須安裝在單板電源入口處，如果存在大面積的電源部分，也要求統一放在單板一側。
電源部分放置方向上主要是考慮輸入/輸出線的順暢，避免交叉。
另外，因為往往單板的電源部分相對比較獨立，而又常常會產生EMI的問題，所以推薦利用過孔帶或分割線將電源部分和其他電路部分進行分割。
時鐘部分
時鐘往往是單板最大的干擾源，也是進行PCB設計時最需要特殊處理的地方，布局時一方面要使時鐘源離單板的邊距離盡量大，另一方面要使時鐘輸出到負載的走線盡量短。
電感線圈
線圈（包括繼電器）是最有效的接收和發射磁場的器件，建議線圈放置在離EMI源盡量遠的地方，這些發射源可能是開關電流、時鐘輸出、總線驅動等。
線圈下方PCB板上不能有高速走線或敏感的控制線，如果不能避免，就一定要考慮線圈的方向問題，要使場強方向和線圈的平面平行，保證穿過線圈的磁力線最少。
總線驅動部分
隨著系統容量越來越大，總線速率越來越高，總線驅動能力要求也越來越高，而總線數量也大量增加，總線匹配難以做到十分完美，所以一般總線驅動器附近的輻射場強很強，總線驅動器是時鐘之外的另一主要EMI源。
在布局上，要求總線驅動部分離單板拉手條的距離盡量遠，減小對系統外的輻射，同時要求驅動后的信號到末端的距離盡量靠近。
濾波器件
濾波措施是必不可少也是最常用的手段，原理設計中提到了很多的濾波措施，比如去耦電容、三端電容、磁珠、電源濾波、接口濾波等，但在進行PCB設計時，如果濾波器的位置放置不當，那么濾波效果將大打折扣，甚至起不到濾波作用。
濾波器件的安裝一般考慮的是就近原則：
- 1. 去耦電容要盡量靠近IC的電源管腳；
- 2. 電源濾波要盡量靠近電源輸入或電源輸出；
- 3. 局部功能模塊的濾波要靠近模塊的入口；
- 4. 對外接口的濾波要盡量靠近接插件等。
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