PCB布线时应掌握的抗干扰技术

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在PCB(印制电路板)中,印制导线用来实现电路元件和器件之间电气连接,是PCB中的重要组件,PCB导线多为铜线,铜自身的物理特性也导致其在导电过程中必然存在一定的阻抗,导线中的电感成分会影响电压信号的传输,而电阻成分则会影响电流信号的传输,在高频线路中电感的影响尤为严重,因此,在PCB设计中必须注意和消除印制导线阻抗所带来的影响。
 
1. 印制导线产生干扰的原因
 
PCB上的印制导线通电后在直流或交流状态下分别对电流呈现电阻或感抗,而平行导线之间存在电感效应,电阻效应,电导效应,互感效应;一根导线上的变化电流必然影响另一根导线,从而产生干扰;PCB板外连接导线甚至元器件引线都可能成为发射或接收干扰信号的天线。印制导线的直流电阻和交流阻抗可以通过公式和公式来计算,R=PL/S和XL=2πfL式中L为印制导线长度(m),s为导线截面积(mm2),ρ为铜的电阻率,TT为常数,f为交流频率。正是由于这些阻抗的存在,从而产生一定的电位差,这些电位差的存在,必然会带来干扰,从而影响电路的正常工作。
 
2. PCB电流与导线宽度的关系
 
PCB导线宽度与电路电流承载值有关,一般导线越宽,承载电流的能力越强。在实际的PCB制作过程中,导线宽度应以能满足电气性能要求而又便于生产为宜,它的最小值以承受的电流大小而定,导线宽度和间距可取0.3mm(12mil)。导线的宽度在大电流的情况下还要考虑其温升问题。PCB设计铜铂厚度、线宽和电流关系表1所示。
 
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 表1 PCB设计铜铂厚度、线宽和电流关系
 
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图1 印制导线的拐弯应成圆角
 
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 图2 PCB中的45°折线
 
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图3 两向布线时布线策略
 
 
3. PCB设计中的布线
 
在PCB设计中,布线是关系PCB设计成功与否的关键阶段,PCB板上铜箔导线的位置、密度、宽窄、间距、走线形式等因素会决定PCB的抗干扰能力,因此,要获得PCB的最佳性能,必须要做到合理布线。
 
3.1 布线遵循原则
 
3.1.1 布线时板型选择和密度设计
 
在满足布线要求的前提下,PCB布线时选择的板型,单面板应优先考虑,其次是双面板、多层板。其布线密度,要结合电路结构及产品性能要求,合理选择,力求布线简单、均匀。
 
3.1.2 布线时的线宽与间距选择
 
PCB中选择的导线,其最小宽度由导线与绝缘基扳间的粘附强度
 
和流过它们的电流值决定。导线最小宽度和间距一般不应小于8mil,如果布线密度允许,可以适当加宽导线宽度及导线间距。对铜箔厚度为2mil,宽度在40mil到600mil的导线,当流经该条导线的电流2A时,其温度不会高于3℃,一般选择导线宽度为60mil可满足要求。在没有特殊要求的情况下,布线通常选8~12mil导线宽度。而对于集成电路,尤其是数字电路,导线宽度最小可选择达到2~2.8mil,设计中,在条件允许的范围内,电源、地线宽度可尽量加宽,一般选择地线宽度大于电源线,而电源线宽度大于信号线宽度,必要时,可采用大面积敷铜接地。
 
在制作PCB布线设计中,输入输出端的导线应尽量避免交叉,可通过添加线间电容的方式避免发生反馈耦合。导线的间距一般选择为大于等于线宽,其最小值由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定,在数字电路中,在工艺允许的情况下,间距可选择5~8mil。
 
3.1.3 走线形式的选择
 
印制导线的布设应尽可能短。当电路为高频电路或布线密集的情况下,印制导线的拐弯应成圆角,如图1所示。当印制导线的拐弯成直角或尖角时,在高频电路或布线密集的情况下会影响电路的电气特性,在PCB设计中,由于直角或夹角在高频电路中会影响电气性能,导线拐弯一般选用45度折线或圆弧形,一般不使用90度折线布线,如图2所示。当两面布线时,PCB双面的导线一般选择正交垂直、斜交或弯曲走线,避免相互平行,以减小板间寄生耦合,如图3所示。
 
3.2 电源线和地线的处理
 
PCB布线中,要采取必要措施降低电源线和地线阻抗,减少公共阻抗、串扰和反射等所引起的波形畸变和振荡现象。电源线宽度,一般印制线路板电流的大小决定,电源线宽度一般选择48~100mil,在条件允许的情况下,电源线宽度尽量加宽,同时注意减少环路电阻,尽量使电源线、地线的走向和信号流向保持一致,增强PCB的抗噪声干扰能力。
 
3.2.1 电源设计原则
 
随着电路规模的增大,电路中的电源种类和数量也在增加,对于简单电路电源的分布,所有电源可汇总为一路。对于复杂电路,可将电路分成若干模块,电源的数目仍不变,还为1个。但是,对于有多种不同电压的电源,要根据电路特性,按照就近原则,使得多点电源分散在各自电路模块中,对于具体布线方法,如果各模块电源及地线拥有公共布线电阻,那么,任何一个模块上的电流发生变动,都将影响到其他的基板,因此,一般将其各个基板电源GND的布线分别由电源引出,各自有布线电阻,即使因电流变化而产生电压降,也仅仅停留在该模块上,不会对其他电路模块产生影响。
 
3.2.2 地线设计原则
 
克服电磁干扰,最主要的手段就是接地。地线设计的原则主要有:
 
(1)对于工作频率小于1MHz的低频信号,布线和元器件间的电感影响比较小,但接地电路形成的环流干扰比较大,因而应采用一点接地的方式,但是,对于工作频率在1MHz~10MHz的信号,采用一点接地,其地线长度不应超过波长的1/20。对于工作频率大于10MHz的信号,随着频率的增大,其地线阻抗也变得很大,应想办法降低地线阻抗,可应采用就近多点接地的方式。
 
(2)模拟地、数字地、大功率器件地分开;低频电路的地应尽量采用单点并联接地,实际布线有困难时可部分串联后再并联接地;对于高频和数字信号,屏蔽电缆两端都接地;交流中线(交流地)与直流地严格分开,以免相互干扰,影响系统正常工作。
 
(3)接地线应尽量加粗。若接地线用很纫的线条,则接地电位随电流的变化而变化,使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗,使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能,接地线应在80~120mil以上。
 
(4)使用大面积接地铜箔。用大面积铜层作地线对未布线区域进行地线填充,但是要注意避免使用大面积实心铜箔,因为大面积实心铜箔经过长时间受热,易发生铜箔起皮脱落现象;对于必须用大面积铜箔的区域,可以用采用栅格替代,网状栅格有利于排除铜箔与基板之间粘合剂受热产生挥发性气体。高频元件周围尽量用栅格状大面积接地铜箔,对贯穿的零件脚上(DIPPIN)铺的铜箔采用热焊盘处理。
 
3.2.3 布线的美观设计
 
PCB设计中,不仅要考虑元器件放置的整齐有序,更要考虑走线的优美流畅。在保证满足国标标准要求和电路电气规则的情况下,还应注重布线的美观设计,尤其是对于一些可能暴露在用户面前的电路部分,布线的美观设计,可能会影响为了产品的形象。