電(diàn)路设计性能(néng)优化对EMC的控制

2020-08-11

電(diàn)磁干扰（EMI）可(kě)能(néng)会对電(diàn)路板的预期操作和性能(néng)造成严重问题。要管理(lǐ)这种干扰，就需要将板上的電(diàn)路设计為(wèi)与板上或附近電(diàn)子设备中的其他(tā)電(diàn)路電(diàn)磁兼容（EMC）。我们将仔细研究这意味着什么，以及一些优化设计以实现好的EMC電(diàn)路性能(néng)的技术。是的，我还有(yǒu)那个午餐盒。我只是在等待它的价格在eBay上提升以获得丰厚的回报。

電(diàn)磁干扰可(kě)以在印刷電(diàn)路板上以不同的方式产生，并且可(kě)以通过空气辐射或由板材料传导。EMI的来源包括如何配置板层堆叠，如何放置零件以及使用(yòng)了哪些技术布線(xiàn)。如您所见，良好的電(diàn)路布局技术对于控制这些EMI辐射至关重要，这反过来又(yòu)可(kě)以防止它们污染其他(tā)電(diàn)路或附近的设备。為(wèi)了使電(diàn)路和附近的设备一起工作，整个EMI防护过程称為(wèi)電(diàn)磁兼容性。

所有(yǒu)这一切的目的是创建一种可(kě)以通过所需标准和测试的電(diàn)路板。有(yǒu)通用(yòng)标准，产品标准和产品系列标准。電(diàn)路板要测试的标准取决于其功能(néng)和应用(yòng)程序。例如，设计用(yòng)于汽車(chē)用(yòng)途的電(diàn)路板具有(yǒu)多(duō)种标准要满足，例如CISPR 12和CISPR 25以及ISO 11451和ISO11452。在汽車(chē)环境中，可(kě)能(néng)有(yǒu)数百种不同的汽車(chē)系统创建窄带和宽带发射。電(diàn)路板必须能(néng)够正常运行，而不会受到该环境的排放的影响，并且必须不会污染附近的其他(tā)系统。

接下来，我们将研究電(diàn)路板上可(kě)能(néng)产生EMI问题的某些潜在设计领域。

如前所述，電(diàn)路的布局方式对于EMC的控制效果至关重要。让我们将其分(fēn)為(wèi)三个不同的區(qū)域：

板层结构

電(diàn)路板由导電(diàn)和非导電(diàn)材料层构成，这些层的配置方式会对EMI产生巨大影响。例如，六层板的電(diàn)源和接地层位于叠层中间，位于第3层和第4层，不会為(wèi)其他(tā)布線(xiàn)层提供太多(duō)屏蔽。通过将这些平面层移到2和5，它们现在将為(wèi)在3和4层之间路由的信号提供很(hěn)好的屏蔽。

元件放置

组件放置时应牢记其最敏感或最“嘈杂”的网，以使其尽可(kě)能(néng)短而直接地布線(xiàn)。对于希望大電(diàn)流線(xiàn)路具有(yǒu)最短和最宽走線(xiàn)的電(diàn)源，尤其如此。高速时钟線(xiàn)和其他(tā)敏感信号也将需要最短和最直接的路径，以很(hěn)大程度地降低其辐射EMI的能(néng)力。為(wèi)此，必须针对信号路径路由优化组件放置。 

连接性

正如我们所说，大電(diàn)流和敏感線(xiàn)路需要尽可(kě)能(néng)短地布線(xiàn)，但是还有(yǒu)许多(duō)其他(tā)连接注意事项：

為(wèi)了防止相邻层上信号之间的宽边耦合（串扰），不同层上的信号路由应交替选择路由方向。

高速传输線(xiàn)应使用(yòng)具有(yǒu)相邻接地平面的微带或带状線(xiàn)配置进行布線(xiàn)。

敏感線(xiàn)之间的走線(xiàn)间距应比常规走線(xiàn)间距大。

应计算受控阻抗線(xiàn)，并以精确的宽度布線(xiàn)

接地层的设计应确保信号返回路径畅通，尤其是对于高速信号。

从这些开始，您将可(kě)以很(hěn)好地降低電(diàn)路设计中EMI的可(kě)能(néng)性。现在让我们进一步研究一些可(kě)以提供帮助的特定设计技术。

電(diàn)路设计技术可(kě)优化EMC電(diàn)路性能(néng)

可(kě)以用(yòng)来帮助控制EMI的技术之一是将设计规则和约束系统放入您的電(diàn)路设计系统中。许多(duō)CAD工具都具有(yǒu)出色的规则和约束系统，可(kě)让您指定特定的線(xiàn)宽，间距，层和布線(xiàn)方向。当您尝试控制電(diàn)源和接地等网络的走線(xiàn)宽度时，这非常重要。

路由时，高速网络还将需要跟踪模式或“拓扑”。在这里，约束可(kě)以通过指定引脚之间的连接性来帮助，以便使用(yòng)正确的拓扑布線(xiàn)。还可(kě)以设置约束来控制特定网络的長(cháng)度，或匹配其他(tā)网络的長(cháng)度。当必须布線(xiàn)其長(cháng)度必须精确以确保可(kě)以在相关时钟信号的上升沿和下降沿捕获数据时，这一点很(hěn)重要。

设计规则和约束不仅适用(yòng)于布線(xiàn)轨迹 ; 他(tā)们还可(kě)以帮助设计的许多(duō)其他(tā)方面。例如，您可(kě)以设置零件放置的间隙，以确保零件之间的正确距离。可(kě)以针对单个组件或组件类别完成此操作。您还可(kě)以设置用(yòng)于特定网络的通孔规则以及许多(duō)其他(tā)规则，以确保可(kě)以成功制造電(diàn)路板。

控制電(diàn)路板上EMI的另一种重要方法是设计電(diàn)源和接地层。您在電(diàn)路板上布線(xiàn)的每个信号都必须返回其原点，这通常是通过接地层实现的。但是，如果接地层充满障碍物(wù)，例如其他(tā)電(diàn)源的分(fēn)割或接地网，切口或什至是很(hěn)多(duō)孔，则返回信号可(kě)能(néng)最终会四处游荡，试图找到返回的路径。这种游荡会产生很(hěn)多(duō)EMI，特别是当高速信号被阻塞时。

以下是電(diàn)路设计工具中的一些功能(néng)，可(kě)以帮助您创建具有(yǒu)受控EMC的電(diàn)路设计：

约束管理(lǐ)：您需要功能(néng)全面的规则和约束管理(lǐ)系统，该系统将使您能(néng)够控制设计的各个方面，从迹線(xiàn)宽度到布線(xiàn)拓扑。

模拟器和分(fēn)析仪：通过在布局電(diàn)路板之前发现電(diàn)路和设计问题，可(kě)以避免很(hěn)多(duō)EMI问题，这些问题以后可(kě)能(néng)会让您惊讶。此外，布局系统中可(kě)用(yòng)的许多(duō)分(fēn)析功能(néng)可(kě)以帮助您在构建電(diàn)路板之前找到设计问题。

阻抗计算器：要设置正确的层结构，您需要知道层的顺序，以获得信号性能(néng)。阻抗计算器等内置工具可(kě)在此处帮助您在开始布局和布線(xiàn)之前定义電(diàn)路板要求。

在線(xiàn)链接和数据交换：关于如何為(wèi)您的设计构建成功的電(diàn)路板层堆叠，有(yǒu)大量数据和信息可(kě)用(yòng)，但是将这些数据导入工具一直是瓶颈。借助IPC-2581双向数据交换格式，您现在可(kě)以将制造商(shāng)直接将板层堆叠信息（包括板材料和厚度）直接放入设计中。