PCB设计要考虑的模拟布局中的不同类型的屏蔽

2021-02-23

電(diàn)路板可(kě)能(néng)会受到传入電(diàn)磁干扰（EMI）的影响，并且还会影响其他(tā)具有(yǒu)传出EMI的電(diàn)子设备。有(yǒu)许多(duō)解决方案来阻止干扰，包括使用(yòng)金属屏蔽层或罐头。关键是要在模拟布局中使用(yòng)这些不同类型的屏蔽，首先要从良好的PCB布局策略开始。 

非屏蔽電(diàn)子产品可(kě)能(néng)导致的问题

许多(duō)类型的干扰都会影响電(diàn)子设备的性能(néng)。这些包括地面反弹，串扰和電(diàn)源噪声。不过，最大的担忧是電(diàn)磁干扰。EMI会对電(diàn)子设备的正常运行产生毁灭性影响，其结果既昂贵又(yòu)危险。在医疗领域，電(diàn)子设备（例如监护仪，除颤器和呼吸机）的故障可(kě)能(néng)会造成严重后果，这就是一个例子。 

如果未正确控制EMI，以下是電(diàn)子设备可(kě)能(néng)遇到的一些问题：

通讯中断。

对无線(xiàn)设备的干扰。

来自传感器的数据损坏。

電(diàn)子元件故障。

软件错误或故障。

EMI的危害是双重的：電(diàn)子器件可(kě)能(néng)会受到传入EMI的损害，或者電(diàn)路板会产生输出EMI，从而损坏其他(tā)電(diàn)子器件。為(wèi)了限制潜在的问题，有(yǒu)不同的标准来控制EMI辐射可(kě)接受和不可(kě)接受的范围。例如，IEC 60601设定了医疗设备的标准，而CISPR 12和CISPR 25分(fēn)别涵盖了車(chē)辆外部和内部来源的干扰。

印刷電(diàn)路板中最常见的EMI来源是板内部的，并且是由其布局问题引起的。如果不加以纠正，则由这些问题产生的EMI可(kě)能(néng)会破坏電(diàn)路板的运行，直至最终导致故障。為(wèi)避免这种情况，重要的是首先在電(diàn)路板布局中使用(yòng)良好的PCB设计技术，我们将在下面讨论。

模拟组件之间的短直接路由。

模拟屏蔽始于良好的PCB设计

增强電(diàn)子产品的抗EMI能(néng)力是電(diàn)路板总體(tǐ)设计的一部分(fēn)。以下是防止EMI时应考虑的PCB布局的四个主要领域：

板层堆叠

如何在PCB叠层中配置这些层是控制EMI必不可(kě)少的第一步。虽然减少层数以减少制造成本似乎很(hěn)有(yǒu)吸引力，但该策略可(kě)能(néng)会损坏板的信号完整性。高速信号，灵敏的模拟网络和嘈杂的電(diàn)源電(diàn)路都需要彼此隔离，并且可(kě)能(néng)需要在堆栈中添加其他(tā)层。為(wèi)接地层提供足够的层以屏蔽这些信号层免于发射或受到EMI的侵害也很(hěn)重要。

元件放置

元件的放置方式也将极大地影响電(diàn)路板屏蔽EMI问题的方式。以下是一些需要牢记的一般准则：

将模拟電(diàn)路与数字電(diàn)路分(fēn)开。

将模拟组件紧密放置在一起，以缩短走線(xiàn)長(cháng)度。

提供足够的旁路電(diàn)容器以确保干净的供電(diàn)网络。

在您的设计中包括低通滤波。

為(wèi)确保您的设计符合EMC要求，務(wù)必根据功能(néng)对PCB组件进行分(fēn)组。您不希望数字電(diàn)路流过電(diàn)路板的模拟部分(fēn)，除了那些将两者直接连接在一起的信号。

電(diàn)源和地平面

板层堆叠中的金属平面提供了很(hěn)多(duō)屏蔽，在带状線(xiàn)配置中，在两个接地平面层之间的层上路由敏感信号是一种很(hěn)好的做法。此外，以下是设计飞机时要记住的其他(tā)一些准则：

对于模拟和数字接地，请使用(yòng)单独的平面，以使其噪声分(fēn)开。

在不流经模拟電(diàn)路區(qū)域的平面中提供清晰的数字信号返回路径。

请小(xiǎo)心分(fēn)离平面，切口或平面上的孔，以免EMI穿过并為(wèi)清晰的信号返回路径造成障碍。

避免使用(yòng)分(fēn)割平面，但是如果有(yǒu)必要，请确保分(fēn)割仅在一点处相互连接。分(fēn)离平面之间的多(duō)个连接点会产生环路，从而导致天線(xiàn)辐射EMI。

跟踪路由

有(yǒu)了良好的组件放置，您将已经具备最佳跟踪布線(xiàn)的必要基础。但是，遵循这些布線(xiàn)指南以最小(xiǎo)化EMI仍然很(hěn)重要：

保持模拟信号和数字信号彼此分(fēn)离，并将敏感信号与其他(tā)路由隔离。

保持模拟路由简短，并确保信号在其参考平面上具有(yǒu)清晰的返回路径。

如果您没有(yǒu)足够的空间容纳更宽的间隔，请使用(yòng)保护走線(xiàn)来防止两条并行模拟走線(xiàn)之间的串扰。如果需要，保护走線(xiàn)还可(kě)以帮助屏蔽模拟走線(xiàn)和数字走線(xiàn)。

使用(yòng)过孔在電(diàn)路的各个功能(néng)分(fēn)區(qū)之间形成屏蔽边界或栅栏。通孔围栏既有(yǒu)效又(yòu)易于安装，但要权衡的是它们会占用(yòng)電(diàn)路板上的大量空间。

现在，我们已经研究了一些有(yǒu)助于屏蔽的PCB设计准则，下面让我们看一下在電(diàn)路板上使用(yòng)金属屏蔽的方法。

電(diàn)路板的模拟區(qū)域，用(yòng)屏蔽层保护。

模拟布局中不同类型的屏蔽的注意事项

為(wèi)了进一步屏蔽電(diàn)路板免受EMI的影响，可(kě)以添加金属屏蔽层或罐头。目的是在板的关键區(qū)域中包含一个覆盖所有(yǒu)四个侧面和顶部的屏蔽层，同时将其焊接到组件下方的接地层，从而形成法拉第笼。在理(lǐ)想世界中，屏蔽层将完全封闭以阻止所有(yǒu)排放。然而，实际上，屏蔽层中需要有(yǒu)开口，用(yòng)于调节，热冷却，接缝和電(diàn)路板的焊点。

在電(diàn)路板上使用(yòng)屏蔽时，另一个要考虑的问题是，通常在自动PCB组装后，通过人工焊接将它们连接到板上。这花(huā)费时间并且增加了板的制造费用(yòng)。它还增加了调试和测试的复杂性，以及返工PCB时的难度。但是，金属屏蔽确实可(kě)以大大提高对EMI的保护程度，并且通常是電(diàn)路板的要求。PCB屏蔽可(kě)由镀锡轧钢，镀锡铜，不锈钢和其他(tā)材料制成。