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电路板抗干扰布线原理(布局布线工具)

张世龙2021年12月21日 00:32天道酬勤1540

一元器件布局的10条规则:

要遵循“先大后小,先难后易”的配置原则,即重要的单元电路、核心部件要优先配置。

布局上必须参考原理框图,根据单板主信号的流动规律配置主要部件。

零件的排列必须便于调整和维护。 也就是说,不能在小零件的周围放置大零件,需要调整的零件、零件的周围需要足够的空间。

相同结构的电路部分尽量采用“对称型”标准布局,根据均匀分布、重心平衡、布局美观的标准优化布局。

同一类型的插入零件应在x或y方向上放置在一个方向上。 同样类型的极性分立元件也应在x或y方向上保持一致,以方便生产和检查。

发热元件一般为了便于单板和机器整体的散热,分布均匀,除温度检测元件以外的温度感测元件必须远离发热量大的部件。

布局应尽可能满足以下要求。 总连接尽可能短,重要信号线最短; 高电压、大电流的信号和小电流、低电压的弱信号完全分离; 模拟信号和数字信号被分离; 高频信号和低频信号分离; 高频部件的间隔必须足够。

旁路电容的布局尽可能接近IC的电源引脚,使电源和接地之间形成的电路最短。

组件布局应尽可能考虑将使用相同电源的设备放置在一起,以便于将来的电源隔离。

二,布线规则

1、配线优先顺序

钥匙信号线优先:模拟小信号、高速信号、时钟信号、同步信号等钥匙信号优先接线。

密度优先原则:从单板上连接关系最复杂的器件着手布线。 从单板上配线最密集的区域开始配线。

注意事项:

为时钟信号、高频信号、灵敏度信号等重要信号提供专用布线层,将电路面积保持在最小限度。 根据需要,采取手工优先接线、屏蔽、增大安全间距等方法。 保证信号的质量。

电源层和地层之间的EMC环境较差,请勿配置对干扰敏感的信号。

有阻抗控制要求的网络必须尽量根据长线宽的要求进行接线。

2、4种具体的行驶方式

1 )时钟的接线:

时钟线是对EMC影响最大的因素之一。 使时钟线不开孔,尽量避免与其他信号线并行,且远离一般信号线,避免对信号线的干扰。 另外,请避开主板的电源部分,以免电源和钟表发生干扰。

如果主板上有专用的时钟发生芯片,请不要在其下方接线。 也可以在下面铺上铜,必要时专用切割土地。 很多芯片都有参考水晶振子,但这些水晶振子下面也不能通过线路。 必须用铜隔离。

2 )直角行驶的线:

直角引线一般要求在PCB布线中尽量避免,也成为测量布线好坏的基准之一,但直角引线对信号传输有多大的影响呢?

原理上,直角引绕时传输线的线宽发生变化,产生阻抗的不连续。 实际上,不仅是直角奔跑,在吨位、锐角奔跑时,阻抗也有可能发生变化。

直角跑线对信号的影响主要表现在三个方面。

角等价于传输线路的容性负载,可以延迟上升时间; 阻抗不连续时信号反射; 从直角尖端产生的EMI。

3 )差动配线:

差分信号(Differential Signal )在高速电路设计中的应用越来越广泛,电路中最重要的信号多采用差分结构设计。

定义:通俗地说,驱动侧发送两个同值、反相的信号,接收侧通过比较这两个电压的差来判断逻辑状态是“0”还是“1”。 载有差动信号的一对行驶线称为差动行驶线。

差分信号与普通单端信号相比,最明显的优势体现在以下三个方面。

抗干扰能力强。 两条差分布线之间的耦合良好,所以在存在来自外部的噪声干扰的情况下,几乎同时耦合到两条布线,但是由于接收侧只在意两个信号的差分,所以可以完全抵消来自外部的共模噪声。

可以有效抑制EMI。 同样,由于两个信号的极性相反,他们向外部辐射的电磁场可以相互抵消,耦合越紧密,向外部辐射的电磁能量就越少。

由于定时位置正确,差动信号的开关变化处于两个信号的交点,所以不像普通的单端信号那样利用高低两个阈值电压进行判断,能够通过过程降低温度的影响,降低定时的误差,同时也适合于低振幅信号的电路。

目前流行的LVDS (低压差分信号)就是这样的小振幅差分信号技术。

对于PCB工程师来说,最值得关注的是

如何确保在实际走线中能完全发挥差分走线的这些优势。也许只要是接触过Layout的人都会了解差分走线的一般要求,那就是“等长、等距”。

等长是为了保证两个差分信号时刻保持相反极性,减少共模分量;等距则主要是为了保证两者差分阻抗一致,减少反射。“尽量靠近原则”有时候也是差分走线的要求之一。

4)蛇形线:

蛇形线是Layout中经常使用的一类走线方式。其主要目的就是为了调节延时,满足系统时序设计要求。

设计者首先要有这样的认识:蛇形线会破坏信号质量,改变传输延时,布线时要尽量避免使用。

但实际设计中,为了保证信号有足够的保持时间,或者减小同组信号之间的时间偏移,往往不得不故意进行绕线。

注意点:

成对出现的差分信号线,一般平行走线,尽量少打过孔,必须打孔时,应两线一同打孔,以做到阻抗匹配。

相同属性的一组总线,应尽量并排走线,做到尽量等长。从贴片焊盘引出的过孔尽量离焊盘远些。

3,布线常用规则

1)走线的方向控制规则:

即相邻层的走线方向成正交结构。避免将不同的信号线在相邻层走成同一方向,以减少不必要的层间窜扰;当由于板结构限制(如某些背板)难以避免出现该情况,特别是信号速率较高时,应考虑用地平面隔离各布线层,用地信号线隔离各信号线。

2)走线的开环检查规则:

一般不允许出现一端浮空的布线(Dangling Line), 主要是为了避免产生"天线效应",减少不必要的干扰辐射和接受,否则可能带来不可预知的结果。

3)阻抗匹配检查规则:

同一网络的布线宽度应保持一致,线宽的变化会造成线路特性阻抗的不均匀,当传输的速度较高时会产生反射,在设计中应该尽量避免这种情况。

在某些条件下,如接插件引出线,BGA封装的引出线类似的结构时,可能无法避免线宽的变化,应该尽量减少中间不一致部分的有效长度。

4)走线长度控制规则:

即短线规则,在设计时应该尽量让布线长度尽量短,以减少由于走线过长带来的干扰问题,特别是一些重要信号线,如时钟线,务必将其振荡器放在离器件很近的地方。

对驱动多个器件的情况,应根据具体情况决定采用何种网络拓扑结构。



5)倒角规则:

PCB设计中应避免产生锐角和直角, 产生不必要的辐射,同时工艺性能也不好。

6)器件去耦规则:

在印制版上增加必要的去耦电容,滤除电源上的干扰信号,使电源信号稳定。

在多层板中,对去耦电容的位置一般要求不太高,但对双层板,去藕电容的布局及电源的布线方式将直接影响到整个系统的稳定性,有时甚至关系到设计的成败。

在双层板设计中,一般应该使电流先经过滤波电容滤波再供器件使用。

在高速电路设计中,能否正确地使用去耦电容,关系到整个板的稳定性。

7)器件布局分区/分层规则:

主要是为了防止不同工作频率的模块之间的互相干扰,同时尽量缩短高频部分的布线长度。

对混合电路,也有将模拟与数字电路分别布置在印制板的两面,分别使用不同的层布线,中间用地层隔离的方式。

8)地线回路规则:

环路最小规则,即信号线与其回路构成的环面积要尽可能小,环面积越小,对外的辐射越少,接收外界的干扰也越小。

9)电源与地线层的完整性规则:

对于导通孔密集的区域,要注意避免孔在电源和地层的挖空区域相互连接,形成对平面层的分割,从而破坏平面层的完整性,并进而导致信号线在地层的回路面积增大。

10)3W规则:

为了减少线间串扰,应保证线间距足够大,当线中心间距不少于3倍线宽时,则可保持70%的电场不互相干扰,称为3W规则。如要达到98%的电场不互相干扰,可使用10W的间距。

11)屏蔽保护

对应地线回路规则,实际上也是为了尽量减小信号的回路面积,多见于一些比较重要的信号,如时钟信号,同步信号。

对一些特别重要,频率特别高的信号,应该考虑采用铜轴电缆屏蔽结构设计,即将所布的线上下左右用地线隔离,而且还要考虑好如何有效的让屏蔽地与实际地平面有效结合。

12)走线终结网络规则:

在高速数字电路中, 当PCB布线的延迟时间大于信号上升时间(或下降时间) 的1/4时,该布线即可以看成传输线,为了保证信号的输入和输出阻抗与传输线的阻抗正确匹配,可以采用多种形式的匹配方法, 所选择的匹配方法与网络的连接方式和布线的拓朴结构有关。

对于点对点(一个输出对应一个输入) 连接, 可以选择始端串联匹配或终端并联匹配。前者结构简单,成本低,但延迟较大。后者匹配效果好,但结构复杂,成本较高。

对于点对多点(一个输出对应多个输出) 连接, 当网络的拓朴结构为菊花链时,应选择终端并联匹配。当网络为星型结构时,可以参考点对点结构。

星形和菊花链为两种基本的拓扑结构, 其他结构可看成基本结构的变形, 可采取一些灵活措施进行匹配。

在实际操作中要兼顾成本、 功耗和性能等因素, 一般不追求完全匹配,只要将失配引起的反射等干扰限制在可接受的范围即可。

13)走线闭环检查规则:

防止信号线在不同层间形成自环。在多层板设计中容易发生此类问题, 自环将引起辐射干扰。

14)走线的分枝长度控制规则:

尽量控制分枝的长度,一般的要求是Tdelay<=Trise/20。

15)走线的谐振规则:

主要针对高频信号设计而言, 即布线长度不得与其波长成整数倍关系, 以免产生谐振现象。

16)孤立铜区控制规则:

孤立铜区的出现, 将带来一些不可预知的问题, 因此将孤立铜区与别的信号相接, 有助于改善信号质量,通常是将孤立铜区接地或删除。

在实际的制作中, PCB厂家将一些板的空置部分增加了一些铜箔,这主要是为了方便印制板加工,同时对防止印制板翘曲也有一定的作用。

17)重叠电源与地线层规则:

不同电源层在空间上要避免重叠。主要是为了减少不同电源之间的干扰, 特别是一些电压相差很大的电源之间, 电源平面的重叠问题一定要设法避免, 难以避免时可考虑中间隔地层。

18)20H规则:

由于电源层与地层之间的电场是变化的, 在板的边缘会向外辐射电磁干扰。称为边沿效应。

解决的办法是将电源层内缩, 使得电场只在接地层的范围内传导。以一个H(电源和地之间的介质厚度)为单位,若内缩20H则可以将70%的电场限制在接地层边沿内;内缩100H则可以将98%的电场限制在内。

4,其他

对于单双层板电源线应尽量粗而短。电源线和地线的宽度要求可以根据1mm的线宽最大对应1A 的电流来计算,电源和地构成的环路尽量小。

为了防止电源线较长时,电源线上的耦合杂讯直接进入负载器件,应在进入每个器件之前,先对电源去藕。且为了防止它们彼此间的相互干扰,对每个负载的电源独立去藕,并做到先滤波再进入负载。

内容整理自网络

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