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技術資訊 I 如何對混合信號 PCB 進行電磁兼容性分區和版圖設計

深圳(耀創)電子科技有限公司 ? 2022-04-24 15:26 ? 次閱讀

本文要點

在混合信號 PCB 中,需要將模擬數字信號進行物理隔離,這一過程稱為分區。

對混合信號 PCB 進行分區和合理設計版圖有助于減少串擾和干擾。

混合信號 PCB 電磁兼容性的基本規則是:

使電流路徑更靠近源頭,并盡可能地緊湊,使回路面積盡可能小。

對一個系統只提供一個參考接地平面,否則,就相當于有意制造了一個偶極子天線

設想這樣一個高頻轉換器電路 PCB,其中的輸入電壓和電流是模擬信號。轉換器中的開關隨著數字時鐘信號的應用開始切換。轉換器中的電源電路是模擬的,控制電路是數字的。

轉換器 PCB 是一種混合信號 PCB,因為它同時處理模擬和數字信號。在混合信號 PCB 中,需要在一個被稱為“分區”的過程中以物理方式分離模擬信號和數字信號。

設計混合信號 PCB 是一項挑戰,因為模擬和數字元件的電流、電壓和額定功耗各不相同。但是,遵循一些基本設計規則將有助于簡化混合信號 PCB 的分區和版圖。

混合信號 PCB 更容易受到串擾的影響

設計師必須對混合信號 PCB 進行分區并仔細設計版圖——

實現電磁兼容性 (EMC) 是混合信號 PCB 設計師非常關心的一個問題。當模擬和數字信號在沒有隔離的情況下共存于一塊 PCB 上時,它們很有可能會混在一起,造成串擾和電磁干擾。例如,數字邏輯接地電流會污染混合信號 PCB 上的低電平模擬信號。這可能會導致反饋回路錯誤、控制系統故障,以及輸出波形中產生諧波。在這些情況下,混合信號 PCB 的電磁兼容性就會受到影響,導致產品的性能不佳。適當的分區和合理的版圖有助于使數字和模擬信號保持隔離,防止它們相互干擾,進而大大減少串擾。

在對混合信號 PCB 進行分區和版圖設計時,必須遵循兩條規則:

使電流路徑更靠近源頭,并盡可能地緊湊,使回路面積盡可能小。

對一個系統只提供一個參考接地平面,否則,就相當于有意制造了一個偶極子天線。

這兩條規則被視為混合信號 PCB 分區和版圖設計的基本原則。下面,讓我們進一步了解一下這兩條黃金法則。

法則1

保持局部、緊湊的電流路徑

在 PCB 上流動的每個信號都會通過接地平面返回到源頭。信號線和回流線在 PCB 上形成一個電流回路。根據上文提到的第一條規則,在鋪設回流線時應使其與信號源相鄰,形成最小的環路面積。

Q

為什么推薦這種設置,這樣做為何會減少電磁干擾?

所有的回流電流都喜歡流經低阻抗路線。當回流線直接位于信號線下方時,電流回路的阻抗最低。當信號線及其回流線形成的環路很大時,就會形成一個高阻抗的路徑。這是電流回路中的寄生電容和電感造成的。

當信號線和回流線距離較遠時,寄生電容的值很高,增加了回路的阻抗。回路電感和電荷走過的距離也有關系,這進一步增加了路徑的阻抗。當回路很大時,從源頭離開的電荷要走很遠才能到達地面。這會增加電流回路的電感,反過來又增加了阻抗。

當高頻模擬信號流經高阻抗的大型電流回路時,它們會發出輻射并造成干擾。同樣,低電平模擬信號在流經高阻抗電流回路時,更容易受到電磁干擾的影響。另外,信號線和回流線形成了一個環形天線,加劇了電磁干擾問題。因此我們希望讓電流回路做到短小、局部和緊湊。

法則2

需要單個參考接地平面

分割接地平面是隔離數字和模擬接地的一種方法。在這種方法中,接地平面之間是分離的,而且不可能在分割處布線。在這種接地平面彼此分離的 PCB 中,兩個接地平面只在電源供電附近連接,形成一個大的電流回路,這不利于非敏感型電磁干擾的 PCB 設計。除此之外,模擬和數字接地平面處于不同的電位,鋪設在這些平面上的長線會形成一個名副其實的偶極子天線,發出電磁輻射。

考慮到所有這些因素,對混合信號 PCB 進行分區是理想的做法。分區使參考接地平面保持共用。模擬信號在模擬部分布線,數字信號在數字部分布線,因此,信號各居其位。

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