电子技术公理:电流都是走的具有最低最抗的路径,并不是按照设计的规划去走的,所以地线的电流是不可控的。地线的处理尤其的重要。
1.地线越短越好,尤其是高频数字电路的地线:对于数字电路,地线阻抗决不是地线电阻。
例如,宽0.5mm的印制线,每英寸电阻为12mohm,电感是15nH,对于160MHz的信号,其阻抗为9.24 ohm
远大于直流电阻。因此对于数字电路,减小地线电感是十分重要的。
2.对于电路板的走线:控制走线的长度可以大大的减少电感量,十分有效。
走线的宽度变宽,对降低其电感量而言只有微乎其微的作用。
当两个导线并联:增加其导线之间的距离满足3W原则,可以使得电感量变为以往没有并联时电感量的一半。
3.可以使用地线网格:也可以使用添加屏蔽缝合孔,来替代地线网格进行使用(PCB设计必须添加)作用:降低地线噪声电压。
4.电源线的噪声消除:在具有大电流的,会发生电流突变的电源线上或者芯片,器件,用电器的电源处。
储能电容的作用是:为用电器提供了电路输出状态发生变化时所需要的大电流,这样可以避免了电源线的电流发生突变,减小了
感应出的噪声电压。即使在线路板上使用了电源线网格或者电源线面(这样做的好处是电源系统具有很小的电感),储能电容也是
必要的,这是由于储能电容将电流变化局限在较小的范围内,减小了辐射(辐射量与电流环路的面积成正比)。
要求:储能电容与用电器的环路尽量的小。
储能电容安装的位置:储能电容的作用是为芯片提供瞬态高能量,因此在布线时,要尽量使它靠近芯片。
这种提法有时不够确切,更确切的要求是:使储能电容的供电回路面积尽量小。
也可以这样说:是储能电容与芯片电源端和地线端之间的联线尽量短。
芯片的影响:储能电容与芯片之间的联线长度是线路板走线的长度加上芯片自身引脚的长度。
二级储能电容:每片芯片的储能电容在放电完毕后,需要及时补充电荷,作好下次放电的准备。
为了减小对电源系统的骚扰,通常也通过电容来提供电荷。为了描述上的方便,称起这个作用的电容为二级储能电容。
当线路板上的芯片较少时,一只二级储能电容就可以了,一般安装在电源线的入口处,容量为芯片储能电容总容量的10倍以上。
如果线路板上芯片较多,每10 ~ 15片设置一个二级储能电容。
这个电容同样要求串联电感尽量小,应该使用钽电容,而不要使用铝电解电容,后者具有较大的内部电感。
错误的概念:从直观,似乎储能电容越大,为IC提供电流补偿的能力越强。因此,许多人爱使用容量很大的解耦电容。这是一个错误的概念。如前所述,由于电容串联电感的存在,电容放电回路会在某个频率点上发生谐振,在谐振点,电容的阻抗最小,因此放电回路的阻抗最小,补充能量的效果最好。但当频率超过谐振点时,放电回路的阻抗开始增加,这意味着电容提供电流能力开始下降。电容的容值越大,谐振频率越低,电容能有效补偿电流的频率范围越小。因此,为了保证电容提供高频电流的能力,电容不能太大。
最小容量:储能电容的容量太小时,同样不能达到预期的效果。但这是因为储能不足造成的。储能电容的最小容量用下面公式计算: C = dI dt / dV 式中,dV是在时间dt内,瞬变电流dI造成的电压瞬间跌落。 例:一个电路在2ns内需50mA电流,设计要求电源压降小于0.1V,电容的最小值为:0.001微法 这个公式仅是概念性的,在实践中,常常采用试验的方法确定最佳电容值。根据试验,对14和16脚的芯片,470~1000pF的电容具有最好的效果。 储能电容的种类:与滤波电容相同,要选择低电感的高频电容。例如瓷片电容或独石电容。 噪声电压控制的目标:应设法使地线上任何两点的噪声电压,电源线对地的噪声电压,小于500mV。 说明:当芯片中同时有多个逻辑门状态发生变化时,电容值要按逻辑门的数量扩大。例如,256k的RAM需要0.1uf的电容。
增强电源解耦的原理:根据解耦电容的工作原理,如果能增加芯片从电源线吸收能量的难度,就能够使芯片尽量从储能电容吸收能量,减少从电源线吸收的能量。从而充分发挥储能电容的作用,减小电源线上的噪声(dI/dt)。根据这个思路,可以人为地增加解耦电容电源一测电源线的阻抗。
方法一:在解耦电容电源侧安装一只铁氧体磁珠,由于磁珠对高频电流呈现较大的阻抗,因此增强了电源解耦电容的效果。 方法二:布线时,使解耦电容电源一侧的电源线尽量细(但要满足供电的要求),增加走线的电感,相当于增加了阻抗,可以起到一定的效果。 说明1:这个方法不仅在芯片级的储能电容上应用,在二级储能电容和线路板上的电源入口处都可使用,减小较长电源线上的电流波动,减小辐射。 说明2:铁氧体必须安装在靠近电源的一端,而不能是芯片的一端。 这样相当于增加了从电源线吸取电流的困难,尽量使用储能电容中的能量。如果将铁氧体安装在芯片一测时,等于增加了电容放电回路的电感,会起到相反的作用。 说明3:铁氧体在直流电流的作用下,磁导率会下降,甚至由于磁饱和而完全消失,因此,其实际电感量是很小的。但是对于高频电流,其阻抗仍然较大。所以,铁氧体主要在高频发挥作用。
线路板电磁兼容设计的目的,除了保证电路工作可靠以外,一个主要的目的就是减小线路板的电磁辐射,保证设备在较低的屏蔽效能下满足有关标准的要求。由于一个电路的电磁辐射和接收的能力往往是一致的,即一个电路的电磁辐射效率高,往往接收效率也高。因此,在设计中抑制线路板的电磁辐射,同时也就提高了线路板的抗干扰能力。
辐射源:线路板的辐射主要产生于两个源,一个是PCB走线,另一个是I/O电缆。根据辐射驱动电流的模式,辐射分为差模辐射和共模辐射两种。 差模辐射:电路工作电流在信号环路中流动,这个信号环路会产生电磁辐射。由于这种电流是差模的,因此信号环路产生的辐射称为差模辐射。 共模辐射:当传输信号的导体的电位与邻近导体的电位不同时,在两者之间就会产生电流。即使两者之间没有任何导体连接,高频电流也会通过寄生电容流动。这种电流称为共模电流,它所产生的辐射称为共模辐射。在电子设备中,电缆的辐射主要以共模辐射为主。 说明:由于共模电压都是设计意图之外的(除了电场波发射设备以外,没有任何设备是靠共模电压工作的),因此共模辐射比差模辐射更难预测和抑制。