通過設(shè)計(jì) PCB對(duì)電路進(jìn)行功能分區(qū)，避免噪聲信號(hào)影響 EMI

在本文中，我將提供有關(guān)EMI分區(qū)的更多詳細(xì)信息。雖然分區(qū)的概念很簡(jiǎn)單，但真正的電路板通常需要更多的思考。

當(dāng)涉及混合信號(hào)設(shè)計(jì)時(shí)，分區(qū)尤其重要，例如模擬和數(shù)字或無線和數(shù)字的組合。我的許多客戶將無線(蜂窩、Wi-Fi、藍(lán)牙和 GPS)與數(shù)字處理和模擬(例如音頻放大器或視頻)結(jié)合在一起。對(duì)于小型移動(dòng)或物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，充分劃分電路功能的重要性變得強(qiáng)制性，以消除數(shù)字開關(guān)電流對(duì)敏感接收器的干擾。

對(duì)于使用 700 MHz 至 900 MHz 范圍內(nèi)的美國(guó) LTE 頻段以及一直到 GPS 的蜂窩無線產(chǎn)品來說，這是一個(gè)大問題。來自數(shù)字處理器、存儲(chǔ)器和開關(guān)模式電源 (SMPS) 電路的 EMI 會(huì)產(chǎn)生超出商業(yè) GPS 頻率 (1,575.42 MHz) 的諧波能量。今天的 SMPS IC 尤其令人討厭，因?yàn)樗鼈兊倪呇厮俣确浅？?，不?1 ns 和高開關(guān)頻率(通常為 1 MHz 至 3 MHz)。

高級(jí)分區(qū)

我提供了分區(qū)概念，通過將所有電路功能分開，我們可以避免噪聲信號(hào)污染安靜信號(hào)。概念簡(jiǎn)單，但對(duì)于真正的電路板通常很難實(shí)現(xiàn)!

這個(gè)概念圖的問題在于，對(duì)于真正的電路板設(shè)計(jì)，我們需要考慮許多其他問題。例如，時(shí)鐘的布線。我們可能不想在整個(gè)板上運(yùn)行以太網(wǎng)和 USB 時(shí)鐘。因此，一個(gè)重要方面是將這些功能定位在最靠近其關(guān)聯(lián)連接器的位置。

此外，將 SMPS 電路放置在更靠近其供電設(shè)備的位置可能更有意義。但是，確保所有 SMPS 電路在同一層上運(yùn)行并且必須有一個(gè)相鄰的返回平面是至關(guān)重要的。我仍然會(huì)避免將 SMPS 電路放置在離無線模塊或電路太近的地方——尤其是天線。

功率分布均由藍(lán)線表示。實(shí)際上，實(shí)際電路板上的配電可能是電源平面(典型值為 3.3 V)和電源多邊形的組合，或者為其他所需的電源軌布線更寬的走線。這種配電還應(yīng)該有一個(gè)相鄰的返回平面，它可以捕獲由于“接地反彈”開關(guān)電流引起的瞬態(tài)場(chǎng)。

使用趨膚深度

另一種劃分方法是使用同一返回平面的相對(duì)側(cè)將數(shù)字電路與射頻或模擬電路分開。我們可以這樣做，因?yàn)樵谶@些高頻下的集膚效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致數(shù)字電流和射頻電流僅沿著返回平面的表面?zhèn)鞑?，并且該層足夠薄，以至于返回電流不?huì)混合。這就像在這些高頻下有兩個(gè)單獨(dú)的平面靠近但不接觸。

例如，在 10 MHz 時(shí)，銅的趨膚深度為 0.8 mil，在 100 MHz 時(shí)為 0.26 mil(注 1)。大多數(shù)信號(hào)電流將處于該第一趨膚深度。一盎司銅平面為 1.4 密耳，因此您可以看到在平面每一側(cè)流動(dòng)的返回信號(hào)電流不太可能在中間合并在一起;從而創(chuàng)建了一個(gè)理論上的“雙層”銅導(dǎo)電平面。

這是一個(gè)使用此概念的堆疊想法，我已經(jīng)看到移動(dòng)設(shè)備制造商成功地使用了它。如果我們?cè)陔娐钒宓捻敳刻畛渌猩漕l/無線組件，在底部填充數(shù)字、電源轉(zhuǎn)換和控制(同時(shí)小心為所有從頂部到底部轉(zhuǎn)換的信號(hào)添加返回路徑)，理論上，場(chǎng)來自一個(gè)平面頂部的能量不會(huì)污染另一個(gè)平面的電流。

請(qǐng)注意，我們將主電源分配(通常為 3.3 V)保持在堆疊的中心。非常復(fù)雜的電路可能需要額外的層，具體取決于電路功能的數(shù)量。最近的一個(gè)例子是具有蜂窩、Wi-Fi、藍(lán)牙、數(shù)字視頻和音頻的移動(dòng)視頻平臺(tái)，它使用 10 層堆疊來分離功能塊。當(dāng)然，有很多方法可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。以圖 4 為例。

分割平面

我經(jīng)常被問到我對(duì)分割模擬和數(shù)字平面的看法，以將數(shù)字噪聲電流與敏感的模擬信號(hào)隔離開來。許多 A/D 和 D/A 制造商在其應(yīng)用筆記中建議使用這種技術(shù)，甚至提供 PC 板布局方向。

這仍然是一個(gè)持續(xù)的辯論，我的觀點(diǎn)是，有一些條件可以保證這種技術(shù)。對(duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)，如果正確使用分區(qū)，它將固有地在嘈雜和敏感的電路功能之間提供隔離，即使對(duì)于 A/D 和 D/A 應(yīng)用也是如此。對(duì)于后一種情況，讓模擬跡線遠(yuǎn)離數(shù)字跡線很重要。顯然，我們不想在間隙中運(yùn)行任何類型的痕跡。

分離平面時(shí)的真正問題是兩者之間總會(huì)存在一些高頻電壓差，如果連接 I/O 電纜的平面接近半波長(zhǎng)的很大一部分，則可以將其建模為偶極天線，并且導(dǎo)致輻射發(fā)射和各種抗擾度問題。

少數(shù)例外之一(還有其他一些例外，例如遠(yuǎn)程傳感器)是需要對(duì)線路操作的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行患者隔離。顯示了一個(gè)典型的接地圖，其中模擬探頭處理以模擬回路為參考，數(shù)字處理電路以數(shù)字回路為參考，電源以大地為參考。理想情況下，數(shù)字和電源返回將在電源連接器處連接在一起。該隔離設(shè)備可以是專用的隔離耦合器 IC、光耦合器或其他幾個(gè)類似設(shè)備。

在實(shí)踐中，為復(fù)雜電路設(shè)計(jì)真正的 PC 板并不適合膽小的人。在電路的劃分、堆疊決策以及電源和高頻信號(hào)的路由之間總是需要權(quán)衡取舍。但是，如果遵循基本設(shè)計(jì)規(guī)則;那是：

· 為信號(hào)和配電層保留相鄰的返回平面

· 確保在通過層轉(zhuǎn)換時(shí)存在返回路徑

· 盡可能劃分不同的電路功能

然后，您將有更大的機(jī)會(huì)使噪聲信號(hào)遠(yuǎn)離安靜信號(hào)，并且大大降低了輻射發(fā)射、輻射抗擾度、ESD 和 EFT 合規(guī)性的風(fēng)險(xiǎn)。

最重要的是，高頻數(shù)字信號(hào)在電介質(zhì)空間內(nèi)傳播，而不是通過銅。一旦您意識(shí)到這一點(diǎn)，您就可以避免嘈雜的數(shù)字信號(hào)與低電平模擬或射頻信號(hào)共享相同的介電空間的問題，并且“第一次做對(duì)”的機(jī)會(huì)就會(huì)大得多!