??? 關(guān)鍵詞: 多層布線? 電源電路? 電磁干擾(EMI)? PROTEL99SE? 電磁兼容(EMC)

??? 隨著現(xiàn)代電子設(shè)備工藝結(jié)構(gòu)的發(fā)展,印制電路板已取代了以往的許多復(fù)雜配線,為設(shè)備的制造和維修提供了極大的方便。另一方面,集成電路的迅猛發(fā)展更加促進(jìn)了印制電路板技術(shù)的飛速發(fā)展。目前,電子設(shè)備中常用的印制電路板有以下幾種:一種為單面布線印制板,它是在一個(gè)表面敷有銅箔且厚度為0.2～5.0mm的絕緣基板上形成印制電路,適用于一般要求的電子設(shè)備,如收音機(jī)等。另一種為雙面布線印制板,是在兩個(gè)表面敷有銅箔且厚度為0.2～5.0mm的絕緣基板上形成印制電路,提高了布線密度,減小了設(shè)備體積,適用于電子儀器、儀表等。還有一種就是極富生命力的多層布線印制電路板,它是通過(guò)幾層較薄的單面或雙面板粘合,在絕緣基板上形成三層以上的印刷電路而制成。它與集成電路配合使用,可以減小電子產(chǎn)品的體積與重量;通過(guò)增設(shè)屏蔽層,可以提高電路的電氣性能。如今,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路已在電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用,而且元器件在印刷電路板上的安裝密度越來(lái)越高,信號(hào)的傳輸速度更是越來(lái)越快,由此而引發(fā)的EMC問(wèn)題也變得越來(lái)越突出。單面、雙面布線已滿足不了高性能電路的要求,而多層布線電路的發(fā)展為解決以上問(wèn)題提供了一種可能,并且其應(yīng)用正變得越來(lái)越廣泛。?

??? 電源有如人體的心臟,是所有電設(shè)備的動(dòng)力。電源電路的選擇和設(shè)計(jì)直接關(guān)系到設(shè)備的EMI/EMC規(guī)范,甚至關(guān)系到設(shè)備的基本性能。本文通過(guò)分析多層布線的特點(diǎn)及其發(fā)展,探討了電源電路中EMI產(chǎn)生的原因,給出了多層布線的一些布線規(guī)則及抑制EMI的措施,最后介紹PROTEL99SE軟件及其應(yīng)用。?

1 多層布線的特點(diǎn)及發(fā)展?

??? 圖1給出了多層電路板結(jié)構(gòu)層面剖視圖。多層板是通過(guò)電鍍通孔把重疊在一起的n層印制電路板連接成一個(gè)整體。?

1.1 多層布線特點(diǎn)?

??? 多層布線之所以逐漸得到廣泛的應(yīng)用,究其原因,不乏有以下幾個(gè)特點(diǎn):?

??? (1)多層板內(nèi)部設(shè)有專用電源層、地線層,減小了供電線路的阻抗,從而減小了公共阻抗干擾。?

??? 印制電路板上單根銅箔導(dǎo)線的特性阻抗為:?

??? Z=R+jωL???????????????????????????????????? (1)?

??? R為印制導(dǎo)線的直流電阻,可以通過(guò)下式求得:?

??? R=ρl/bd?????????????????????????????????? ? (2)?

??? ρ——銅的體積電阻率(Ω·cm)???????? ?

??? l——印制導(dǎo)線長(zhǎng)度(cm)?

??? b——印制導(dǎo)線寬度(cm)????????????? ?

??? d——印制導(dǎo)線厚度(cm)?

??? 在常溫條件下,ρ=1.75(Ω·cm),常用導(dǎo)線的厚度為18μm、35μm、70μm。?

??? L為印制導(dǎo)線的自感,可以通過(guò)下式求得:?

??? L=2l[ln(2l/b)+1/2] (nH)??????????????????????(3)?

式中,l、b的定義同上。?

??? 由公式(2)、(3)可以看出,印制導(dǎo)線的長(zhǎng)度、厚度一定時(shí),增加導(dǎo)線的寬度可以減小導(dǎo)線的特性阻抗,從而相應(yīng)地減小公共阻抗的干擾。?

??? (2)多層板采用專門地線層,對(duì)信號(hào)線而言都有均勻接地面,信號(hào)線的特性阻抗穩(wěn)定,易匹配,減少了反射引起的波形畸變。?

??? 在電路設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)印制電路板上裝有多個(gè)集成電路,并且其中有些元件耗電很多時(shí),地線上會(huì)出現(xiàn)較大電位差。原因是集成電路的開關(guān)電流i與電源線和地線的電阻R和電感L造成電壓降所至。可通過(guò)下式來(lái)描述:?

??? E=E_R+E_L=Ri+L(di/dt)?????????????????? ??????? (4)?

??? 由式(4)可以看出,通過(guò)減小R和L將使電壓降能夠顯著減小。而多層板設(shè)計(jì)中,信號(hào)線與地層之間有均勻接地面,減小了R、L,保證了地線電位的穩(wěn)定。?

??? (3)采用專門的地線層加大了信號(hào)線和地線之間的分布電容,減小了串?dāng)_。?

??? 串?dāng)_是指兩個(gè)或更多導(dǎo)體靠得比較近時(shí),它們之間會(huì)有容性耦合,一個(gè)導(dǎo)體上的電壓大幅度變化時(shí)會(huì)向其它導(dǎo)體耦合電流。通常耦合電容反比于導(dǎo)體間的距離而正比于導(dǎo)體的面積。因而通過(guò)減小相鄰導(dǎo)體間的面積并增大相鄰距離,有利于減小串?dāng)_。采用多層布線,由于增加了獨(dú)立地線層,大功率接地層上的噪聲就不會(huì)注入到其它層面上去,從而減小了高頻電流對(duì)敏感電路的影響。???? ?

??? (4)配線密度高。?

??? 與相應(yīng)尺寸的雙面印制板相比,多層印制電路板器件安裝面安裝密度大,配線密度高。?

1.2 多層布線的發(fā)展?

??? 上面分析了多層布線不同于單面、雙面布線的特點(diǎn)。正是由于多層布線具有這些特點(diǎn),從而為電路設(shè)計(jì)人員提供了一種理想的解決噪聲問(wèn)題的途徑。在常規(guī)的電路設(shè)計(jì)中,去耦電容安裝得當(dāng)可以使串聯(lián)阻抗減小80%左右。但是,這種大幅度抑制電源電壓波動(dòng)的措施,實(shí)質(zhì)上是一種補(bǔ)救辦法。更好的方法是不斷完善供電線路的設(shè)計(jì),而多層布線的發(fā)展為其提供了一種可能。當(dāng)然,多層電路板還存在加工工藝復(fù)雜、成本高的特點(diǎn),這是阻礙其發(fā)展的因素。但隨著印刷電路板技術(shù)的發(fā)展及大規(guī)模生產(chǎn),多層電路板的使用將變得越來(lái)越廣泛。?

2 電源電路電磁干擾分析及相應(yīng)抑制措施?

??? 電磁兼容(EMC)是指對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)的學(xué)科領(lǐng)域,通過(guò)研究和分析預(yù)測(cè)電磁干擾,提供抑制干擾的有效技術(shù),進(jìn)行合理設(shè)計(jì),從而使電子系統(tǒng)和設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中不受干擾的影響而相容地正常工作。電磁兼容的研究對(duì)象就是電磁干擾。隨著電子系統(tǒng)和設(shè)備數(shù)量的逐漸增多和性能的不斷提高,電磁干擾將越來(lái)越嚴(yán)重。而電源電路作為任何電子設(shè)備所不可缺少的部分,其性能的好壞直接關(guān)系到了設(shè)備性能的優(yōu)劣。對(duì)電源電路系統(tǒng)來(lái)講,電磁干擾可分為輻射型和傳導(dǎo)型。輻射型干擾表現(xiàn)為電場(chǎng)或磁場(chǎng)的形式,而傳導(dǎo)型干擾總是以電壓或電流的形式來(lái)表現(xiàn)。電源電路中功率器件的切換或電源電壓的波動(dòng)過(guò)程,可以在連線上產(chǎn)生很大的dv/dt和di/dt的信號(hào),它可以耦合到其它連線上造成電磁干擾。因而元件的選擇對(duì)于控制電磁干擾(EMI)至關(guān)重要,而且電路板的布局和連線也具有同等重要的影響。?

2.1 電源電路中電磁干擾的產(chǎn)生?

2.1.1 元件選擇不合理?

??? 在電源電路中,高頻開關(guān)器件、高頻變壓器、電感等的使用,為輻射型電磁干擾的產(chǎn)生帶來(lái)了可能。?

2.1.2 元器件布局不合理?

??? 元器件布局的合理性直接關(guān)系到電源電路EMI水平的好壞。電源電路中功率器件的切換可以在連線上產(chǎn)生很大的干擾信號(hào),它可以耦合到其它連線上造成干擾問(wèn)題,布局時(shí)要進(jìn)行特殊注意。?

2.1.3 布線不合理?

??? 電源電路中的走線,應(yīng)該保證接地層不向電路的敏感部分耦合噪聲,高頻電流對(duì)于敏感電路會(huì)產(chǎn)生不可忽視的影響。研究表明,高頻開關(guān)電源電路中的EMI指標(biāo)往往可以在不增加任何元器件和改變線路的條件下通過(guò)修改布線設(shè)計(jì)而得到改善。?

2.2 多層布線對(duì)抑制電磁干擾的作用?

??? 這里從布線的角度,針對(duì)多層布線在抑制電磁干擾方面的作用加以分析。?

2.2.1 布線中的一些規(guī)則?

??? 高速信號(hào)線要短,信號(hào)線和信號(hào)回路線所形成的環(huán)路面積要最小。為避免信號(hào)線之間的相互串?dāng)_,兩條信號(hào)線切忌平行,而應(yīng)采取垂直交叉方式;或者拉開兩線之間的距離;也可在兩條平行的信號(hào)線之間增設(shè)一條地線。連線和電源線的走向盡量與數(shù)據(jù)傳輸方向垂直。地線的設(shè)計(jì)不應(yīng)該斷開,而應(yīng)該設(shè)計(jì)成環(huán)路,這樣可以避免地線上出現(xiàn)較大的電位差而引起地電位波動(dòng),導(dǎo)致信號(hào)波形產(chǎn)生振蕩、電路誤動(dòng)作。?

2.2.2 多層布線在抑制電磁干擾中的作用?

??? 上面給出了布線的一些規(guī)則。采用單面板、雙面板設(shè)計(jì)電源電路時(shí)有些規(guī)則并不能得到很好地實(shí)現(xiàn)。多層布線的使用彌補(bǔ)了這些不足。高密度的電源電路板上,兩個(gè)或更多導(dǎo)體靠得比較近時(shí),它們之間存在容性耦合,一個(gè)導(dǎo)體上的大幅度電壓變化會(huì)向其它導(dǎo)體耦合電流。一般可以通過(guò)增加它們之間的距離或在導(dǎo)體之間增加一條接地線來(lái)消除耦合,但應(yīng)該保證接地層不向電路的敏感部分耦合噪聲,否則會(huì)對(duì)敏感電路產(chǎn)生不可忽視的影響。采用多層布線方式,電源、地線和信號(hào)分別占有獨(dú)立的層面(如圖1所示),這樣由整個(gè)層面構(gòu)成的電源線和接地線阻抗相當(dāng)?shù)汀ｋ娐钒宓姆植茧娙萦筛鲗又g的距離和介電系數(shù)來(lái)決定,約為10～1000pF/cm²。圖1中的E層的上下表面經(jīng)過(guò)絕緣處理,既能預(yù)防線路板向外輻射噪聲,又能防止線路板接受外來(lái)噪聲;同時(shí),電源線被密封在板內(nèi),幾乎不接受任何外來(lái)噪聲,而且內(nèi)部幾個(gè)供電面之間有很大的靜電電容,形成阻抗極低的供電線路,極大地提高了抗噪性能。?

3 PROTEL99SE簡(jiǎn)介及其在電源電路電磁兼容設(shè)計(jì)中的應(yīng)用?

3.1 PROTEL99SE簡(jiǎn)介?

??? PROTEL99SE作為一個(gè)優(yōu)秀的板級(jí)設(shè)計(jì)軟件,是一個(gè)功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。它由以下幾部分構(gòu)成:設(shè)計(jì)瀏覽器、原理圖捕獲、電路仿真、PLD設(shè)計(jì)、PCB布局、PCB自動(dòng)布線、信號(hào)完整性分析。設(shè)計(jì)瀏覽器為設(shè)計(jì)人員方便地進(jìn)入設(shè)計(jì)并使用創(chuàng)建設(shè)計(jì)的各種工具提供了一個(gè)便捷界面。原理圖捕獲部分類似于傳統(tǒng)的畫圖過(guò)程,通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)自動(dòng)繪圖,便捷地修改圖層。然而,PROTEL99SE中的原理圖捕獲功能塊是許多技術(shù)設(shè)計(jì)的入口點(diǎn),從電路設(shè)計(jì)到PLD(可編程邏輯器件)編程,再到電路仿真和PCB設(shè)計(jì)(布局、布線),都以原理圖捕獲為基礎(chǔ)。電路仿真部分與原理圖編輯器緊密集成,可以直接從原理圖(原理圖中的元器件采用仿真庫(kù)模型)對(duì)模擬和數(shù)字信號(hào)設(shè)計(jì)進(jìn)行混合仿真。PLD設(shè)計(jì)提供了基于原理圖及CUPL^TM硬件描述語(yǔ)言的可編程邏輯器件的設(shè)計(jì)手段。PCB布局和PCB自動(dòng)布線完成印制電路板的布局與布線功能,執(zhí)行設(shè)計(jì)規(guī)則,產(chǎn)生印制板加工文件及輸出文件。信號(hào)完整性分析以印制電路板設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),設(shè)定相應(yīng)規(guī)則來(lái)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)阻抗和上沖、下沖、上升、下降等時(shí)間。同時(shí),通過(guò)執(zhí)行反射與串?dāng)_分析,能夠確切地分析布線的性能并產(chǎn)生準(zhǔn)確的結(jié)果波形。綜合各部分所完成的功能可以看出,PROTEL99SE是一個(gè)功能強(qiáng)大的電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)。?

3.2 PROTEL99SE在電源電路電磁兼容設(shè)計(jì)中的應(yīng)用?

??? 線路板設(shè)計(jì)階段如果缺乏有效的手段分析電磁干擾,則產(chǎn)品可能通不過(guò)EMC標(biāo)準(zhǔn)而不能進(jìn)入生產(chǎn)。傳統(tǒng)的嘗試性方法仍是國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)人員普遍采用的方法,但各種各樣的借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法正應(yīng)運(yùn)而生。PROTEL99SE設(shè)計(jì)軟件內(nèi)部的自動(dòng)布線軟件包與SPICE仿真器相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了具有EMC設(shè)計(jì)的PCB計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。?

??? 從上面布線規(guī)則可知,高速信號(hào)線要短,這可以通過(guò)配置長(zhǎng)度約束規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于承載高速信號(hào)的走線網(wǎng)絡(luò)可以采用菊花鏈拓?fù)?規(guī)定允許最長(zhǎng)走線。并行導(dǎo)線容易引起相互串?dāng)_,可以通過(guò)配置并行走線的最大長(zhǎng)度來(lái)把串?dāng)_限制在允許的范圍之內(nèi)。由第2節(jié)分析可知,導(dǎo)線的特性阻抗會(huì)引起公共阻抗干擾。采用PROTEL99SE布線時(shí),可以在信號(hào)完整性功能項(xiàng)設(shè)定中配置阻抗約束條件來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)最大允許導(dǎo)線阻抗。同時(shí),還可以通過(guò)設(shè)定信號(hào)完整性功能項(xiàng)中的上沖、下沖、延遲時(shí)間約束來(lái)保證信號(hào)的完整。PROTEL99SE的強(qiáng)大設(shè)計(jì)功能為電源電路電磁兼容的設(shè)計(jì)提供了一種手段。當(dāng)然,設(shè)計(jì)過(guò)程中需要根據(jù)電磁干擾指標(biāo)去分析計(jì)算相應(yīng)的布線參數(shù),這也是該軟件在電磁兼容設(shè)計(jì)中的不足之處。?

??? 多層電路板的特點(diǎn)使其發(fā)展具有豐富的生命力。在對(duì)性能要求高的電路設(shè)計(jì)中,多層電路板使用將成為一種趨勢(shì)。而且在電源電路的設(shè)計(jì)中由于采用多層電路板,將使電磁兼容的設(shè)計(jì)得到較大的改善。?

參考文獻(xiàn)?

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