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PCB的干扰源

2022/11/02
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一直很想学习一下这本书,以前也看过一阵,但是后来中间又暂停了。现在想想是个契机,因为想在公众号上输出,正好用这本书的学习作为输入。

因为自己本身也在学习中,所以,可能总结的也不算透彻。但是希望等把书籍学完的时候,自己对接地的认识会上一个台阶。

所有的EMI问题都是从PCB上开始,然后在PCB上结束,虽然有点夸张,但是在PCB设计中,EMI问题是一个最让人头疼的问题。

复杂的PCB板,是一个非常紧凑的电子系统,在一块PCB板上会有不同类型,大大小小的各种器件。

而这些器件,加上PCB上的线路,使得电子系统得以工作。

近几十年来,PCB板材的性能越来越好,可以支持更高的频率,可以获得更低的损耗。

PCB的加工技术也越发成熟,可以加工的堆叠层数越来越多,钻孔技术也越来越精湛,孔径越来越小。

但是,PCB的基本结构没有发生改变,还是主要由芯板和半固化片堆叠而成。

以前简单的PCB板,可能只是要求功能正常,但是,当今,随着周围电子环境越来越复杂,EMI性能也越来越受关注。

而且,PCB的复杂程度越来越高,特别对于数字硬件电路,因为其微处理器的功耗越来越大,时钟频率越来越高。

如果PCB设计不当,则板子的EMI性能则会达不到预期。

有专家,对半导体器件封装的辐射机制以及超大规模集成电路VLSI)对电路辐射EMI影响做过研究,发现这样一个现象。

就是,大多数VLSI器件太小,以至于不会是辐射EMI的直接来源。

也就是说,辐射EMI不是直接来自于VLSI器件本身,而是来自于从这些器件耦合过来的噪声。

这种耦合主要通过三种途径:

(1) 耦合到散热器

(2) 耦合到传输线上

(3) 驱动PCB板上的参考平面

 

与现代PCB相关的干扰机制主要包括:EMI(发射和敏感性)和串扰(PCB 上的干扰)。

串扰通常是EMI的主要贡献者。

不良的PCB布局可能会增加内部噪声电路和I/O线路的耦合,从而“输出”EMI,即电磁发射。

反过来,通过I/O线“输入"到PCB中的干扰,将耦合到内部敏感电路,导致其不希望的响应,即电磁敏感性。

信号完整性与EMI和串扰相关,因为PCB上的信号失真(信号完整性差)会耦合到相邻的信号线(即串扰),并可能由于高频谐波而导致PCB的EMI性能恶化。

因此,在PCB上观察到以下几种常见的干扰机制:

(1) 通过由多个电路共享的电源及相关导体的共用阻抗耦合

(2) 通过由多个电路共享的回流导体的共用阻抗耦合

(3) 高速传输线不匹配,导致反射

(4) 相邻传输线之间的串扰耦合,而这两根传输线属于不同的电路

(5) 高增益模拟放大器之间的辐射串扰耦合

(6) 电路内感性负载切换导致的瞬态噪声,耦合到相邻电路

(7) 电源产生的噪声进入敏感电路

在EMI和信号完整性背后的主要因素是时变或者瞬态电流,这些存在于PCB的电源电路和信号传输线中。

PCB内EMI相互作用的强度取决于电路中电流的大小,电路之间的耦合效率,特别和他们的频率分量相关。

如果考虑的是电流,那么就暗示了往返路径的存在。

电流遵循闭环路径,从电源,通过元器件,然后再返回。

对于信号和电源电路都是如此。

因此,为了获得优良的PCB EMI性能,需为电源和信号提供低阻抗返回路径。

参考文献:Grounds for grounding

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