電磁兼容性EMC改進(jìn)的PCB分區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)則

電磁兼容性EMC改進(jìn)的PCB分區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)則
      EMC是電磁兼容性的縮寫，指的是電子設(shè)備能夠在同一電磁環(huán)境中實(shí)現(xiàn)其自身功能的共存狀態(tài)。簡而言之，EMC允許電子設(shè)備獨(dú)立且正常地工作而它們之間沒有干擾，也就是說，那些電子設(shè)備可以在整個(gè)系統(tǒng)中彼此兼容。由于EMC是通過控制EMI（電磁干擾）實(shí)現(xiàn)的，因此它通過一系列關(guān)于EMI的研究而發(fā)展，例如EMI的引入，EMI研究，抗EMI解決方案和EMI管理。

電磁兼容EMC的基本原理
要減少數(shù)字信號和模擬信號之間的干擾，首先需要了解EMC的兩個(gè)基本原則。
原則1：電路回路區(qū)域應(yīng)小化。
原理2：只能在系統(tǒng)中應(yīng)用SINGLE參考平面。

一旦原則1無法被遵循并且信號必須通過大的環(huán)路區(qū)域，將產(chǎn)生大的環(huán)形天線。但是，一旦原則2無法遵循并且有兩個(gè)參考平面可用，將創(chuàng)建偶極天線，結(jié)果都不是預(yù)期的結(jié)果。

混合信號PCB分區(qū)規(guī)則和應(yīng)用
      建議在同一混合信號板上的數(shù)字地和模擬地應(yīng)分開，以實(shí)現(xiàn)它們之間的隔離，盡管該解決方案具有可行性，但仍會出現(xiàn)許多潛在問題，尤其是在大規(guī)模系統(tǒng)中。關(guān)鍵問題在于，在數(shù)字地面和模擬地面之間的分割中無法建立跟蹤。通過在分割中設(shè)置跟蹤，電磁輻射和信號串?dāng)_將急劇上升。PCB設(shè)計(jì)中常見的問題在于由于信號線穿過分裂地或電源而產(chǎn)生的EMI。

下面的圖1描述了上面介紹的情況。

EMC改進(jìn)的PCB分區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)則

基于這種分離方法，信號線必須跨越數(shù)字地和模擬地之間的分裂。那么，信號電路的返回路徑是什么樣的？
      假設(shè)兩個(gè)分裂接地在一個(gè)點(diǎn)連接在一起，在這種情況下，接地電路將產(chǎn)生一個(gè)大的環(huán)路，此后，高頻電路流過大環(huán)路將導(dǎo)致出現(xiàn)具有高接地電容和產(chǎn)生輻射的大環(huán)路。如果低電平模擬電路流過大環(huán)路，則很容易受到外部信號的干擾。當(dāng)分裂接地與電源連接時(shí)，將發(fā)生壞的情況，將形成極大的電路回路。此外，當(dāng)模擬地和數(shù)字地通過長引線連接在一起時(shí)，將形成偶極天線。

      因此，工程師應(yīng)該了解混合信號PCB設(shè)計(jì)優(yōu)化中的返回電路的路徑和方法，然而，許多工程師在不考慮電路特定路徑的情況下查看信號電路的流動路徑。如果必須拆分地平面并且必須在分裂處布置跟蹤，則可以首先在兩個(gè)分裂地之間實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)連接，并且形成橋，以便在每個(gè)信號線下方提供直流返回路徑，具有小的環(huán)路面積形成，如圖2所示。

EMC改進(jìn)的PCB分區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)則

      光學(xué)隔離裝置或變壓器的應(yīng)用也可以導(dǎo)致跨越分裂的信號，對于光隔離器件，它是分裂的光信號。對于變壓器來說，它是穿過分裂的磁場。另一種適用的方法在于差分信號的應(yīng)用。信號從另一條信號線返回時(shí)流入一條線。在這種情況下，不需要接地作為返回路徑。

可以在以下三種情況下應(yīng)用分割分區(qū)：
情況1：某些醫(yī)療設(shè)備需要在與患者和系統(tǒng)連接的電路之間具有低泄漏電流。
情況2：來自某些工業(yè)過程控制設(shè)備的輸入可能與具有高噪聲和功率的機(jī)電設(shè)備連接。
情況3：PCB布局受到某些限制。

      混合信號PCB上通?？梢允褂锚?dú)立的數(shù)字和模擬功率，并且可以并且應(yīng)該依賴分離的功率平面，然而，與電源平面緊密相鄰的信號線不能跨越功率之間的分離，并且穿過該分裂的所有信號線必須是具有大面積的環(huán)境到導(dǎo)體平面。在某些情況下，通過將模擬電源設(shè)計(jì)為PCB連接線而不僅僅是平面，可以避免有關(guān)電源層的分裂問題。

混合信號PCB的接地平面布局方法及應(yīng)用
      為了討論數(shù)字信號對模擬信號的干擾，必須首先理解高頻電流的屬性，高頻電流始終取決于具有小阻抗（低電感）的路徑，并且直接位于信號之下。結(jié)果，無論該平面是電源平面還是地平面，返回路徑都將流過環(huán)境電路平面。在實(shí)際操作中，接地平面傾向于與分成模擬部分和數(shù)字部分的電路板一起使用，模擬信號位于所有平面的擬部分內(nèi)，而數(shù)字信號位于數(shù)字電路區(qū)域內(nèi)。

在這種情況下，數(shù)字信號返回電流不會流入模擬信號的地，只要在模擬部分上方執(zhí)行數(shù)字信號布局或在PCB上的數(shù)字部分上方執(zhí)行模擬信號布局，

      這些問題的發(fā)生并非源于沒有分裂地面，而是數(shù)字信號的不合適布局，在PCB設(shè)計(jì)，地平面應(yīng)用，數(shù)字電路和模擬電路劃分以及合理的信號布局方面，通常有助于解決有關(guān)布局和分區(qū)的難題。此外，可以避免由分裂地面引起的一些潛在問題。因此，元件布局和分區(qū)成為決定PCB設(shè)計(jì)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

      如果布局和分區(qū)足夠合適，則數(shù)字接地中的電流將限制在電路板的數(shù)字部分中，模擬信號不會受到干擾。必須仔細(xì)檢查和檢查這種情況的布局，以確保布局規(guī)則必須完全符合。除此以外，

      當(dāng)A / D轉(zhuǎn)換器的模擬地和數(shù)字接地引腳連接在一起時(shí)，大多數(shù)A / D轉(zhuǎn)換器制造商建議通過小引線將ADND和DGND引腳連接到具有低阻抗的相同地，這是因?yàn)檫@些引腳沒有連接在大多數(shù)A / D轉(zhuǎn)換器IC內(nèi)部，任何與DGND連接的外部阻抗都會通過寄生電容導(dǎo)致更多的數(shù)字噪聲與IC內(nèi)部的模擬電路耦合。因此，A / D轉(zhuǎn)換器的AGND和DGND引腳都應(yīng)與模擬地連接，然而它將引起一個(gè)問題，即模擬地或數(shù)字地是否應(yīng)與數(shù)字信號的去耦電容的接地端相連。

      對于具有單個(gè)A / D轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)，可以輕松解決上述問題。接地分離后，模擬接地部分和數(shù)字接地部分連接在A / D轉(zhuǎn)換器下。當(dāng)使用這種方法時(shí)，兩個(gè)地之間的橋接應(yīng)該與IC的橋接一樣寬，并且任何信號線都不應(yīng)該跨越分裂。

對于帶有少量A / D轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)，我們應(yīng)該如何連接？
      如果我們遵循上面介紹的相同解決方案，即在A / D轉(zhuǎn)換器下連接模擬地和數(shù)字地，將導(dǎo)致多點(diǎn)連接，使得模擬地和數(shù)字地之間的隔離變得毫無意義。如果不進(jìn)行這樣的連接，則不符合制造商的要求。佳解決方案在于均勻地面的應(yīng)用，分為模擬部分和數(shù)字部分。這種類型的布局不僅滿足IC制造商對模擬接地和數(shù)字接地的要求，這些制造商要求它們之間具有低阻抗，但要避免出現(xiàn)諸如環(huán)形天線或偶極天線之類的EMC問題。

      如果工程師對PCB設(shè)計(jì)中的均勻地面應(yīng)用存有疑問，可以基于地平面分割方法實(shí)現(xiàn)布局，在設(shè)計(jì)過程中，電路板應(yīng)能接觸到小于0.5英寸或0歐姆電阻的跳線，以連接分離接地。應(yīng)該對分區(qū)和布局給予足夠的重視，以確保沒有數(shù)字信號線放置在模擬部分之上，反之亦然。

      此外，任何信號線都不得跨越接地分離或分離隔離功率，要測試PCB及其EMC的功能，應(yīng)通過0ohm電阻或跳線連接兩個(gè)接地，然后再重新測試電路板及其EMC。結(jié)果對比表明，在所有情況下，均勻的地面解決方案在功能和EMC方面優(yōu)于分裂地面解決方案。

      混合信號PCB設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，PCB應(yīng)劃分為獨(dú)立的模擬部分，數(shù)字部分和A / D轉(zhuǎn)換器應(yīng)跨部分放置，為了分離模擬和數(shù)字功率，不應(yīng)交叉隔離的電源平面之間的分割，并且必須交叉的信號線應(yīng)布置在環(huán)境到大面積的電路層上。應(yīng)分析返回路徑電流的流動及其流動方式，以便符合合適的元件布局和正確的布局規(guī)則。在電路板的所有層中，數(shù)字信號只能以數(shù)字部分布局，而模擬信號只能以模擬部分布局。

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