PCB降噪：您需要隔离、屏蔽还是滤波器？

2022-04-07

PCB降噪：您需要隔离、屏蔽还是滤波器？

在设计人员在其PCB中面临的所有(yǒu)噪声和操作挑战中，有(yǒu)一个可(kě)以说是最受欢迎的总體(tǐ)问题：電(diàn)子噪声。您在系统中查明的任何噪音都可(kě)能(néng)有(yǒu)一个或多(duō)个可(kě)能(néng)的原因和解决方案。它可(kě)能(néng)起源于 SI/PI 问题，可(kě)能(néng)来自某些外部来源，也可(kě)能(néng)是老式的串扰！

每当在信号上测量到一些噪声并给整个系统带来一些操作问题时，您应该使用(yòng)什么解决方案？这些往往分(fēn)為(wèi)三类：添加屏蔽、做一些事情以创建隔离或放置过滤器。让我们看看所有(yǒu)这些，因為(wèi)它们往往是面对许多(duō)噪声问题时的默认解决方案集。

第 1 步：确定来源

这听起来很(hěn)明显，但在您开始尝试任何类型的过滤或屏蔽来降低噪音之前，您应该尝试识别系统中的噪音来源。你会惊讶于我收到关于噪音的问题的频率，但尚未调查可(kě)能(néng)导致问题开始的原因。不要跳过调查并直接找到解决方案，花(huā)时间确定源头。

事实证明，如果您的噪声源于数字系统中的電(diàn)源完整性问题 ，则三个默认选项（过滤、隔离和屏蔽）中的任何一个都无法解决问题。这是一个叠加和布局问题，简单明了。但是，如果您正在处理(lǐ)诸如允许过多(duō)噪声在功率级之间通过的電(diàn)源系统之类的东西，那么您可(kě)能(néng)只需要一个简单的滤波器電(diàn)路。采取一些步骤，通过一些简单的测量来缩小(xiǎo)噪声类型，或者至少诊断问题的位置：

进行直接测量；即使是低成本的示波器或简单的万用(yòng)表也可(kě)以查明问题（例如，接地反弹、过多(duō)的交流纹波等）

从问题开始，倒退到信号源；噪音问题通常从发现问题的地方开始

这些探头和示波器是定位PCB中噪声的理(lǐ)想工具。

过滤

当您只希望特定频率或频率范围到达互连的负载端时，最好使用(yòng)滤波電(diàn)路和组件。翻转这个；滤波器也可(kě)用(yòng)于从互连中去除一个特定的问题频率（例如，陷波滤波器）。滤波最好留给模拟或射频设计师；您不应该使用(yòng)滤波電(diàn)路来尝试从承载数字信号的互连中去除噪声。对于射频和模拟系统，带通滤波通常用(yòng)于将信号传递到接收器并防止噪声。

電(diàn)力系统还将使用(yòng)滤波器，主要用(yòng)于稳压器的输出级或设备连接到主（未稳压）電(diàn)源的输入级。在这种用(yòng)法中，滤波器用(yòng)于尝试去除传导的共模電(diàn)流。请注意，开关稳压器拓扑具有(yǒu)内置的電(diàn)感滤波器。如果调节器级的输出噪声太大，则可(kě)能(néng)需要增加调节器的電(diàn)感（假设您已经正确布置了電(diàn)路板）。

隔离

这个术语有(yǒu)点模棱两可(kě)，当我们谈论噪音时可(kě)能(néng)会被过度使用(yòng)。它经常出现在混合信号PCB布局的背景下。据我所知，这指的是两种可(kě)能(néng)的行动方案：

拆分(fēn)系统，使其位于两个不同的接地平面之上

将网络彼此分(fēn)开以减少串扰

对于混合信号系统，如果您遵循一些围绕布局和布線(xiàn)的基本布局原则，您将不需要做一些不合需要的事情，例如拆分(fēn)接地层。分(fēn)离网络始终是防止可(kě)能(néng)在系统 IO 上显示為(wèi)噪声的串扰或干扰的好方法。

屏蔽

这应该是尝试消除噪音的最后手段。PCB布局中有(yǒu)许多(duō)组件会产生噪声问题，因此很(hěn)容易只针对这些组件进行屏蔽而忽略其他(tā)所有(yǒu)内容。在使用(yòng)屏蔽之前，请先查看下面的建议列表，然后考虑使用(yòng)一些屏蔽选项。

该電(diàn)缆上的屏蔽层有(yǒu)助于阻止干扰。

如果您确实发现需要屏蔽来克服噪声问题并通过EMC测试，则有(yǒu)一些商(shāng)用(yòng)屏蔽选项：

定制屏蔽罐，将覆盖组件并接地

屏蔽垫片、化合物(wù)和网格

可(kě)放置在外壳中的铁氧體(tǐ)板

最简单的屏蔽形式可(kě)能(néng)已经存在于您的PCB中：您的接地层。只需重新(xīn)设计叠层以使接地层更靠近您的组件，或者在没有(yǒu)接地层的情况下添加接地层，将提供额外的屏蔽。

简单的数字示例

通常情况下，最好的PCB降噪解决方案可(kě)能(néng)涉及多(duō)个步骤。考虑下面显示的数字板密集布局的快照。假设问题是两个网络之间的串扰，导致其中一个 IO 出现故障。这个问题有(yǒu)两个很(hěn)好的解决方案：

通过将参考平面移动到更靠近受害网络的层来创建更多(duō)屏蔽。这将减少 在攻击者和受害者网络之间产生耦合的相互寄生。

增加攻击者网络和受害者网络之间的间距。这也将减少网络之间的相互寄生。

到目前為(wèi)止，#1 将是最容易实现的。滤波器可(kě)能(néng)对消除噪声毛刺携带的一些功率有(yǒu)效，但如果这是一个数字系统，那么滤波器也会消除一些信号，并且可(kě)能(néng)无法在接收组件的 IO 上正确读取。

在一些密集布局中，最好的PCB降噪方法是将参考平面移近您的表层并将组件彼此分(fēn)开。

它从堆叠和放置开始

虽然确实可(kě)以通过一些有(yǒu)针对性的屏蔽或过滤来解决特定的噪声问题，但您会在大多(duō)数電(diàn)路板中发现的典型串扰和EMI问题无法通过放置滤波器来解决。EMI问题，如串扰、过度辐射、電(diàn)源毛刺、信号毛刺，甚至一些传导发射，都可(kě)以通过智能(néng)布局和布局来解决。如果您的叠层和放置正确，您就不必担心过滤器、保护走線(xiàn)或屏蔽材料等愚蠢的东西。相反，请关注一些简单的规则：

将PCB接地层或多(duō)边形放置在信号附近

规划考虑您的特定信号频率的接地策略

路由信号，同时沿每条路由保持具有(yǒu)明确定义的返回路径的参考

學(xué)会发现会影响信号的寄生参数，特别是高 dV/dt 和 dI/dt 节点和环路

了解可(kě)能(néng)在您的特定電(diàn)路或系统中产生噪声的因素