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(xiě)，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(jiǎn)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(méi)有干擾，也就是說(shuō)，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(guò)控制EMI（電磁干擾）實(shí)現(xiàn)的，因此它通過(guò)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(hào)和模擬信號(hào)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(wú)法被遵循并且信號(hào)必須通過(guò)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(wú)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(hào)PCB分區(qū)規(guī)則和應(yīng)用
建議在同一混合信號(hào)板上的數(shù)字地和模擬地應(yīng)分開(kāi)，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(huì)出現(xiàn)許多潛在問(wèn)題，尤其是在大規(guī)模系統(tǒng)中。關(guān)鍵問(wèn)題在于，在數(shù)字地面和模擬地面之間的分割中無(wú)法建立跟蹤。通過(guò)在分割中設(shè)置跟蹤，電磁輻射和信號(hào)串?dāng)_將急劇上升。PCB設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的問(wèn)題在于由于信號(hào)線穿過(guò)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(hào)線必須跨越數(shù)字地和模擬地之間的分裂。那么，信號(hào)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(guò)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(guò)大環(huán)路，則很容易受到外部信號(hào)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(guò)長(zhǎng)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(hào)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(hào)電路的流動(dòng)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(hào)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(hào)，對(duì)于光隔離器件，它是分裂的光信號(hào)。對(duì)于變壓器來(lái)說(shuō)，它是穿過(guò)分裂的磁場(chǎng)。另一種適用的方法在于差分信號(hào)的應(yīng)用。信號(hào)從另一條信號(hào)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(lái)自某些工業(yè)過(guò)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(hào)PCB上通常可以使用獨(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(hào)線不能跨越功率之間的分離，并且穿過(guò)該分裂的所有信號(hào)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(guò)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(wèn)題。
混合信號(hào)PCB的接地平面布局方法及應(yīng)用
為了討論數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)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(hào)之下。結(jié)果，無(wú)論該平面是電源平面還是地平面，返回路徑都將流過(guò)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(hào)位于所有平面的擬部分內(nèi)，而數(shù)字信號(hào)位于數(shù)字電路區(qū)域內(nèi)。
在這種情況下，數(shù)字信號(hào)返回電流不會(huì)流入模擬信號(hào)的地，只要在模擬部分上方執(zhí)行數(shù)字信號(hào)布局或在PCB上的數(shù)字部分上方執(zhí)行模擬信號(hào)布局，
這些問(wèn)題的發(fā)生并非源于沒(méi)有分裂地面，而是數(shù)字信號(hào)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(hào)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(wèn)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(hào)不會(huì)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(guò)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(méi)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(huì)通過(guò)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(wèn)題，即模擬地或數(shù)字地是否應(yīng)與數(shù)字信號(hào)的去耦電容的接地端相連。
對(duì)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(wèn)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(hào)線都不應(yīng)該跨越分裂。
對(duì)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(wú)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(duì)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(wèn)題。
如果工程師對(duì)PCB設(shè)計(jì)中的均勻地面應(yīng)用存有疑問(wèn)，可以基于地平面分割方法實(shí)現(xiàn)布局，在設(shè)計(jì)過(guò)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(duì)分區(qū)和布局給予足夠的重視，以確保沒(méi)有數(shù)字信號(hào)線放置在模擬部分之上，反之亦然。
此外，任何信號(hào)線都不得跨越接地分離或分離隔離功率，要測(cè)試PCB及其EMC的功能，應(yīng)通過(guò)0ohm電阻或跳線連接兩個(gè)接地，然后再重新測(cè)試電路板及其EMC。結(jié)果對(duì)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(hào)PCB設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)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(hào)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(dòng)及其流動(dòng)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(hào)只能以數(shù)字部分布局，而模擬信號(hào)只能以模擬部分布局。
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