PCB设计余洋意课件

第六章

PCB设计（PrintedCircuitBoard），中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。PCB1概论

1.1PCB是一个完整产品的缩影

环路的存在也是抗干扰问题存在的原因之一，因为这些环路都是接收天线单匝环路中感应的电压：V=A∙Db/dt式中，A是回路面积；B是垂直于回路平面的磁通密度。作为数字电子工程师，要尽可能的减小环路1.3PCB中的数字电路中存在大量的磁场1.4PCB中不但存在大量的天线而且也是驱动源当带有高速信号的PCB印制线的长度与信号的波长可比拟时，PCB可以直接通过自由空间直接辐射能量，或即使印制线的长度远小于信号的波长，地平面上的共模压降将驱动与其连接的电缆通过电缆向外辐射能量。对于被共模电压驱动的共模辐射来说，降低驱动电压是最简单可行的印制技术。RF驱动电压存在的原因是：（1）电路走线阻抗；（2）地弹；（3）用来降低无用天线驱动电压的旁路或屏蔽。为减小PCB上的辐射效率，需要采取EMC设计和抑制措施，除了屏蔽外，还包括建立良好的接地系统、合理的布线布局、恰当的选择滤波器。其中在PCB板上，由于地阻抗总是较低，所以大部分电流将从PCB板中的工作地上流过。当干扰共模电流流过PCB板时，如果在两个逻辑电路之间的地阻抗过大，将影响逻辑电路的正常工作。图2是PCB板中完整地平面概率与阻抗的关系。图2PCB板中完整地平面平率与阻抗的关系由图2可知，一个完整的地平面，在100MHz的频率时，也只会产生0.3V的压降，这对于3.3V的TTL电平电路来说是可以承受的。因为3.3V的TTL电平总是要在0.4V以上的电压下才会发生逻辑转换，这已经是具有相当抗干扰能力了。图33.3V的TTL电平逻辑关系2相关案例

案例1：“静地”的作用【现象描述】

某产品采用屏蔽结构机柜，面板上有一个用来监控的RS232串口，使用RJ45连接器，串口电路在控制板上。该串口通过一根编织屏蔽的屏蔽电缆与本产品中的AC/DC电源模块的告警串口相连接。串口线长度是1.5m，但它在100MHz处产生的辐射异常强烈，超出了EN55022CLASSB限制15dB以上，下图为辐射骚扰测试频谱图：把RJ45取下，剪断两根地针，再用一根约3CM长的细线引出PIN4脚（GND针）。一、细线悬空，100MHz处辐射为46dBV/m；二、细线接到机柜面板金属壳，100MHz处辐射为37dBV/m；三、将细线接到PCB板上的GND上，100MHz处辐射为57dBV/m；四、在上面基础上在磁珠后面加一个220pF的电容接到机柜的金属面板上，100MHz处辐射为432BV/m五、将上面的电容去掉，电感直接接到面板上，100MHz处辐射为34dBV/m，即GND用磁珠与金属面板相连，也可以满足辐射发射要求六、在处理好GND线的基础上，接上RX、TX线号，100MHz处辐射为54dBV/m，说明RX、TX信号线也需要进行滤波去耦处理。RX、TX信号线上串接磁珠后，辐射下降4dB，加上磁珠并将220pF的电容接到金属面板上、100MHz处辐射为33dBV/m设计PCB时，“静地”与PCB板的连接仅通过磁珠连接。“静地”与金属面板的连接方式为：“静地”通过RJ45金属连接器外壳插针连接RJ45金属外壳，再通过RJ45外壳簧片连接金属面板，磁珠跨接GND和“静地”之间的分割线处。实际PCB布局、布线如右图安装重新做好的PCB后再进行测试，辐射骚扰的测试频谱如下图，从图中可以看出，原来辐射很高的100MHz频点已经下降25db【思考与启示】

(1)RJ45连接器必须为金属外壳的连接器，RJ45安装面板处必须是金属。

(2)“静地”的方法只有在内部PCB板GND存在很强的高频噪声的情况下，即串口接口内部电路地噪声较大的情况下使用。

(3)“静地”面积不能太大，否则会使感应板内的噪声不能起到静地的作用。

(4)“静地”区域不能有电源平面、GND平面及任何其他非串口走线。

(5)“静地”要与金属面板、RJ45连接器外壳相连接。

(6)“静地”与板内的GND相连的磁珠必须跨接在GND与静地之间的分割处，TX、RX信号上的磁珠也要跨接在GND与“静地”之间的分割处。案例2PCB布线不合理造成网口雷击损坏【现象描述】

某路由器产品，在实际使用当中，在遭受一次雷击事件后，发现以太网通信不正常。进一步检查发现是以太网口的物理层不能正常连接。测试发现，以太网PHY芯片的接收端已经对地短路。进一步检查发现布在PCB顶层的以太网接收线已经被烧断，这段PCB布线有明显的过流痕迹。以太网接收线被烧断后的连接示意图如下图：【原因分析】

该产品的以太网接口PCB板布线情况是：RJ45到变压器之间的接收信号布在TOP层，发送信号布BOTTOM层，RJ45是带有金属屏蔽的。据雷击现象的研究结果，雷击时产生的过电压、过电流首先会在屏蔽电缆的屏蔽层上，然后再通过屏蔽层与地影响内部电路。但是由于屏蔽金属外壳与PCB的间隙很小，雷击产生的大电流使网线的屏蔽层上出现很高的压降，而屏蔽电缆的屏蔽层与RJ45连接器的外壳是互连的，这样造成PCB上的以太网线接收信号线与RJ45的屏蔽金属外壳之间绝缘击穿。由于击穿回路的阻抗较小，故很大的雷电流通过删的布线将该信号线烧断。同时，信号线(地)击穿屏蔽层,在网线屏蔽层上的高共模电压部分转换为以太网信号线之间的差模电压，进而造成网口PHY芯片的损坏。

在以太网接口中，由于网口变压器差模传输的特性可以作为共模雷击过电压、电流保护的隔离，在产生雷击时，网口屏蔽电缆上产生很高的共模电压。如果高压信号部分与其他低电压信号线之间的绝缘耐压不够，两者之间的电压超过本身的耐压能力后，就会造成击穿。击穿意味着电压、电流从高压处传向低压处后，将在信号线上形成很大的电流。击穿的现象包括电压、电流、阻抗等在不同的信号线上会有一定的不同。正由于这些不同导致将共模电压转换成差模电压，对于一定频率的差模信号，变压器失去了隔离的作用，高压就会顺利通过变压器传送到电路上去，造成后级电路的损坏。【处理措施】

将以太网接口变压器初级的信号布线改布在PCB内层，以加强信号线与RJ45连接器外壳之间的绝缘强度。【思考与启示】

如果产品使用区域有可能发生雷击，而且由于其他原因使用以太网线及屏蔽连接器，故建议不要将以太网接口电路变压器初级的信号线布置在表层或底层。案例3局部地平面与强辐射器件【现象描述】某家电产品采用塑料外壳，辐射发射超标，在问题定位过程中，用示波器及探头做成简易的近场探头对该产品进行问题定位：测试仪器：示波器TDS784D(1GHz)探头P6245(1.5GHz)测试方法：把探头和探头的地线相连，形成一个环状，犹如环状接收天线，探头与地线构成的接受环路如左图在测试中发现，当探头靠近该产品中PCB板上的晶振和其输出的时钟线时，辐射最大，探头靠近晶振时的噪声峰峰值如下图所示，而且峰峰值超过400mV。根据经验值，这个幅度偏大。

晶振、晶体和所有的应用时钟的电路放在一个局部地平面上是一种降低晶振、晶体等时钟电路共模辐射的一种简单而有效的方法。局部地平面应该延伸到支持逻辑电路的下面，晶振下的局部地平面实例如下图：【处理措施】

(1)晶根下方表层设置局部地平面，并通过多个过孔与地层相连。

(2)将原来布在表层的时钟线，改为布在第三层(6层板)。将修改后的PCB板安装在产品中，再用上述简易近场探头测试，测得结果如下图所示。峰---峰值在40mv左右。【思考与启示】

(1)在多层板PCB设计中，建议在品振下方设置局部地平面。对于两层板，此方法显得更为重要。(2)6层以上的多层板表层或底层不允许长距离布时钟线。最大允许的表层时钟线长度为时钟信号波长的1／20。(3)晶振和驱动电路的下方及离这些电路300miI的距离内不能布信号线。【现象描述】

某医疗设备进行辐射骚扰测试，医疗设备辐射发射频谱图如下图所示：案例4PCB走线是如何将晶振辐射带出的

测量超标频点尖蜂间隔22．1184Mb，与该系统中控制板中的晶振频率一样。经过测试还发现，该辐射并不是来自于晶振壳体的直接辐射，而是来自于连接在控制板上的串口线【原因分析】该产品控制板的部分PCB图如下图所示：

图中分别指示出了CPU、串口信号驱动芯片、品振、串口连接器及中口信号的走线路径。很明显，这个问题是由于串口信号的走线穿过了晶振下方，使得晶振所产生的谐波信号直接辐合到串口信号线上，串口信号线成为了晶振振荡信号谐波的裁体，而且串口信号线很长，包括串口电缆，这些都成为了很好的辐射天线，将晶振谐波信号带出PCB板。晶振的周边充满着近场辐射场。如果充满辐射场的范围内有器件或PCB走线，那么晶振及其谐波的RF信号将通过容性或感性的方式耦合到器件或PCB信号线上，即这些器件及信号线也带上RF信号。当信号波长与导体的长度相当时会发生谐振，这时信号几乎可以100%转换成电磁场。对于本案例中设备的使用电缆来说，已足够成为一个很好的天线。

如果假定导体是一个振子天线，就可以利用电缆长度与天线效率的关系图来帮助分析

图中右边的斜线给出了导体成为理想天线时导体的长度与频率的关系。很明显；在常用的频段内，即使很短的导体也能产生发射和抗扰度问题。可以看到，在100MHz处，1m长的导体就是很有效的天线，在1GHz处，100mm的导体就成为很好的天线。图中间的斜线表示虽然导体没有成为高效的天线，但仍有可能引起问题的导体长度。左边的斜线表示导体的长度极短，其天线效应可忽赂的情况。【处理措施】

根据以上分析，晶振是一个噪声源，这一事实是没有办法改变的，RS32串口电缆是天线，这也是没有办法改变的事实。但是噪