七、PCB EMI設(shè)計(jì)

  在PCB設(shè)計(jì)中最常見的問(wèn)題就是信號(hào)線跨越分割地或電源而產(chǎn)生EMI問(wèn)題。為規(guī)避這種EMI問(wèn)題下面就為大家介紹一下汽車通訊模塊線路板廠設(shè)計(jì)中EMI設(shè)計(jì)的規(guī)范步驟。

1、IC的電源處理

  保證每個(gè)IC的電源PIN都有一個(gè)0.1μF的去耦電容，對(duì)于BGA CHIP，要求在BGA的四角分別有0.1μF、0.01μF的電容共8個(gè)。對(duì)走線的電源尤其要注意加濾波電容，如VTT等。這不僅對(duì)穩(wěn)定性有影響，對(duì)EMI也有很大的影響。一般去耦電容還是需要遵循芯片廠家要求。

2、時(shí)鐘線的處理

  1.建議先走時(shí)鐘線。

  2.頻率大于等于66M的時(shí)鐘線，每條過(guò)孔數(shù)不要超過(guò)2個(gè)，平均不得超過(guò)1.5個(gè)。

  3.頻率小于66M的時(shí)鐘線，每條過(guò)孔數(shù)不要超過(guò)3個(gè)，平均不得超過(guò)2.5個(gè)

  4.長(zhǎng)度超過(guò)12inch的時(shí)鐘線，如果頻率大于20M，過(guò)孔數(shù)不得超過(guò)2個(gè)。

  5.如果時(shí)鐘線有過(guò)孔，在過(guò)孔的相鄰位置，在第二層（地層）和第三層（電源層）之間加一個(gè)旁路電容、如圖2.5-1所示，以確保時(shí)鐘線換層后，參考層（相鄰層）的高頻電流的回路連續(xù)。旁路電容所在的電源層必須是過(guò)孔穿過(guò)的電源層，并盡可能地靠近過(guò)孔，旁路電容與過(guò)孔的間距最大不超過(guò)300MIL。

  6.所有時(shí)鐘線原則上不可以穿島（跨越分割）。下面列舉了穿島的四種情形。

  時(shí)鐘、復(fù)位、100M以上信號(hào)以及一些關(guān)鍵的總線信號(hào)不能跨分割，至少有一個(gè)完整平面，優(yōu)選GND平面。

  時(shí)鐘信號(hào)、高速信號(hào)和敏感信號(hào)禁止跨分割；

  差分信號(hào)必須對(duì)地平衡，避免單線跨分割。（盡量垂直跨分割）

  所有信號(hào)的高頻返回途徑都直接位于相鄰層信號(hào)線的正下方。在信號(hào)下面設(shè)置一個(gè)實(shí)體層可以顯著減少信號(hào)完整性和時(shí)序問(wèn)題，這個(gè)實(shí)體層可以為該信號(hào)提供直接回路。當(dāng)走線與層分割交叉不可避免時(shí)，應(yīng)使用一個(gè) 0.01 uF 回路電容。如圖所示，當(dāng)使用回路電容時(shí)，應(yīng)盡可能靠近信號(hào)線與層分割的交叉點(diǎn)布置回路電容。

  6.1 跨島出現(xiàn)在電源島與電源島之間。此時(shí)時(shí)鐘線在第四層的背面走線，第三層(電源層)有兩個(gè)電源島，且第四層的走線必須跨過(guò)這兩個(gè)島.

  6.2 跨島出現(xiàn)在電源島與地島之間。此時(shí)時(shí)鐘線在第四層的背面走線，第三層(電源層)的一個(gè)電源島中間有一塊地島，且第四層的走線必須跨過(guò)這兩個(gè)島。

  6.3 跨島出現(xiàn)在地島與地層之間。此時(shí)時(shí)鐘線在第一層走線，第二層(地層)的中間有一塊地島，且第一層的走線必須跨過(guò)地島，相當(dāng)于地線被中斷。

  6.4 時(shí)鐘線下面沒有鋪銅。若條件限制實(shí)在做不到不穿島，保證頻率大于等于66M的時(shí)鐘線不穿島，頻率小于66M的時(shí)鐘線若穿島，必須加一個(gè)去耦電容形成鏡像通路。以圖6.1為例，在兩個(gè)電源島之間并靠近跨島的時(shí)鐘線，放置一個(gè)0.1UF的電容。

  7.當(dāng)面臨兩個(gè)過(guò)孔和一次穿島的取舍時(shí)，選一次穿島。

  8.時(shí)鐘線要遠(yuǎn)離I/O一側(cè)板邊500MIL以上，并且不要和I/O線并行走，若實(shí)在做不到，時(shí)鐘線與I/O口線間距要大于50MIL。

  9.時(shí)鐘線走在第四層時(shí)，時(shí)鐘線的參考層（電源平面）應(yīng)盡量為時(shí)鐘供電的那個(gè)電源面上，以其他電源面為參考的時(shí)鐘越少越好，另外，頻率大于等于66M的時(shí)鐘線參考電源面必須為3.3V電源平面。

  10.時(shí)鐘線打線時(shí)線間距要大于25MIL。

  11.時(shí)鐘線打線時(shí)進(jìn)去的線和出去的線應(yīng)該盡量遠(yuǎn)。盡量避免類似圖A和圖C所示的打線方式，若時(shí)鐘線需換層，避免采用圖E的打線方式，采用圖F的打線方式。

  12.時(shí)鐘線連接BGA等器件時(shí)，若時(shí)鐘線換層，盡量避免采用圖G的走線形式,過(guò)孔不要在BGA下面走,最好采用圖H的走線形式。

  13.注意各個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，不要忽略任何一個(gè)時(shí)鐘，包括AUDIO CODEC的AC_BITCLK，尤其注意的是FS3-FS0,雖然說(shuō)從名稱上看不是時(shí)鐘，但實(shí)際上跑的是時(shí)鐘，要加以注意。

  14.Clock Chip上拉下拉電阻盡量靠近Clock Chip。

3、I/O口的處理

  1.各I/O口包括PS/2、USB、LPT、COM、SPEAK OUT、 GAME分成一塊地，最左與最右與數(shù)字地相連，寬度不小于200MIL或三個(gè)過(guò)孔，其他地方不要與數(shù)字地相連。

  2.若COM2口是插針式的，盡可能靠近I/O地。

  3.I/O電路EMI器件盡量靠近I/O SHIELD。

  4.I/O口處電源層與地層單獨(dú)劃島，且Bottom和TOP層都要鋪地，不許信號(hào)穿島（信號(hào)線直接拉出PORT，不在I/O PORT中長(zhǎng)距離走線）。

4、幾點(diǎn)說(shuō)明

  1.對(duì)EMI設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)工程師要嚴(yán)格遵守，EMI工程師有檢查的權(quán)力，違背EMI設(shè)計(jì)規(guī)范而導(dǎo)至EMI測(cè)試FAIL，責(zé)任由設(shè)計(jì)工程師承擔(dān)。

  2.EMI工程師對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范負(fù)責(zé)，對(duì)嚴(yán)格遵守EMI設(shè)計(jì)規(guī)范，但仍然EMI測(cè)試FAIL，EMI工程師有責(zé)任給出解決方案，并總結(jié)到EMI設(shè)計(jì)規(guī)范中來(lái)。

  3.EMI工程師對(duì)每一個(gè)外設(shè)口的EMI測(cè)試負(fù)有責(zé)任，不可漏測(cè)。

  4.每個(gè)PCB設(shè)計(jì)工程師有對(duì)該設(shè)計(jì)規(guī)范作修改的建議權(quán)和質(zhì)疑的權(quán)力。EMI工程師有責(zé)任回答質(zhì)疑，對(duì)工程師的建議通過(guò)實(shí)驗(yàn)后證實(shí)后加入設(shè)計(jì)規(guī)范。

  5.EMI工程師有責(zé)任降低EMI設(shè)計(jì)的成本，減少磁珠的使用個(gè)數(shù)。 

八、PCB設(shè)計(jì)的ESD抑止

  PCB布線是ESD防護(hù)的一個(gè)關(guān)鍵要素，合理的PCB設(shè)計(jì)可以減少故障檢查及返工所帶來(lái)的不必要成本。在PCB設(shè)計(jì)中，由于采用了瞬態(tài)電壓抑止器(TVS)二極管來(lái)抑止因ESD放電產(chǎn)生的直接電荷注入，因此PCB設(shè)計(jì)中更重要的是克服放電電流產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)電磁場(chǎng)效應(yīng)。本文將提供可以優(yōu)化ESD防護(hù)的PCB設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

1、電路環(huán)路

  電流通過(guò)感應(yīng)進(jìn)入到電路環(huán)路，這些環(huán)路是封閉的，并具有變化的磁通量。電流的幅度與環(huán)的面積成正比。較大的環(huán)路包含有較多的磁通量，因而在電路中感應(yīng)出較強(qiáng)的電流。因此，必須減少環(huán)路面積。

  最常見的環(huán)路由電源和地線所形成。在可能的條件下，可以采用具有電源及接地層的多層PCB設(shè)計(jì)。多層電路板不僅將電源和接地間的回路面積減到最小，而且也減小了ESD脈沖產(chǎn)生的高頻EMI電磁場(chǎng)。

  如果不能采用多層電路板，那么用于電源線和接地的線必須連接成網(wǎng)格狀。網(wǎng)格連接可以起到電源和接地層的作用，用過(guò)孔連接各層的印制線，在每個(gè)方向上過(guò)孔連接間隔應(yīng)該在6厘米內(nèi)。另外，在布線時(shí)，將電源和接地印制線盡可能靠近也可以降低環(huán)路面積。

  減少環(huán)路面積及感應(yīng)電流的另一個(gè)方法是減小互連器件間的平行通路。

  當(dāng)必須采用長(zhǎng)于30厘米的信號(hào)連接線時(shí)，可以采用保護(hù)線。一個(gè)更好的辦法是在信號(hào)線附近放置地層。信號(hào)線應(yīng)該距保護(hù)線或接地線層13毫米以內(nèi)。

  將每個(gè)敏感元件的長(zhǎng)信號(hào)線(>30厘米)或電源線與其接地線進(jìn)行交叉布置。交叉的連線必須從上到下或從左到右的規(guī)則間隔布置。

2、電路連線長(zhǎng)度

  長(zhǎng)的信號(hào)線也可成為接收ESD脈沖能量的天線，盡量使用較短信號(hào)線可以降低信號(hào)線作為接收ESD電磁場(chǎng)天線的效率。

  盡量將互連的器件放在相鄰位置，以減少互連的印制線長(zhǎng)度。

3、地電荷注入

  ESD對(duì)地線層的直接放電可能損壞敏感電路。在使用TVS二極管的同時(shí)還要使用一個(gè)或多個(gè)高頻旁路電容器，這些電容器放置在易損元件的電源和地之間。旁路電容減少了電荷注入，保持了電源與接地端口的電壓差。

  TVS使感應(yīng)電流分流，保持TVS鉗位電壓的電位差。TVS及電容器應(yīng)放在距被保護(hù)的IC盡可能近的位置，要確保TVS到地通路以及電容器管腳長(zhǎng)度為最短，以減少寄生電感效應(yīng)。