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pcblayout(PCB)

  • 人才百科
  • 2023-11-12 13:00
  • 龙泉小编


PCB LAYOUT规范






拟 制:

XXX


日 期:

200X-04-18

审 核:

----


日 期:

----

批 准:

XXX


日 期:

200X-04-18

变 更 记 录

**00版之前的版次以0A,0B,0C…表示,00版后之版次以00A,00B,00C…表示**

项次

版次

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制定

制定日期

审核

生效日期

1

0A

初稿





2  

00     

增加EMC的内容,修改安规的表格,更换半桥逆变的PCB Layout 案例     

























































































目录及索引

目的及内容: 4

安规 4

1.1 定义: 4

1.2 安规通则: 5

1.3 沿面距离、空间距离与附加距离(来源于GB4943-2001) 5

1.3.1 沿面距离: 5

1.3.2 空间距离: 6

1.3.4 高档机间距要求(高档机或欧洲机型需满足如下规定) 7

2 EMC及电气 7

2.1 定义: 7

2.2 Layout 之EMC及电气原则: 8

2.2.1 空间布局基本原则 8

2.2.2平面布局及走线基本原则 8

2.2.3 常用功率变换电路之EMC基本原则 20

2.2.4 控制电路之EMC基本原则 27

2.2.5 MCU电路之EMC基本原则 28

2.2.6字符的标示 29

3 PCB各要素物理特性及电气性能 29

3.1 布线的电气参数 29

3.2 各要素物理特性 29

4 附录:以下操作由硬件工程师负责 30

4.1. PCB LAYOUT中硬件工程师的工作开展 30

4.2.PCB LAYOUT 审查清单 30


目的及内容:

从安全规范/电磁兼容/电气三方面阐述PCB设计中须遵循的基本规范或原则,以确保PCB 布线原则上的合理性。

安规

定义:

  • 一次侧电路:直接与外部电网电源连接的,或者直接与其它供给电力的等效电源(例如电动发电机、电池等)连接的内部电路。该电路包括变压器、电动机、其它负载装置的初级绕组,以及与电网电源连接的各种装置。二次侧电路:不与一次侧电源直接连接的,而是由位于设备内的变压器、变换器或等效装置供电的一种电路。安全特低电压电路(SELV circuit):作了适当的设计和保护的二次侧电路,使得在正常条件下和单一故障条件下,它的电压值均不会超过安全值(交流峰值不超过42.4V或直流值不超过60V的电压) 如RS232线路。使用加强绝缘与危险电压进行隔离ELV(特低电压)电路 ELV:在正常工作条件下,在电路的任意两个导体之间或任一导体与地之间电压的交流峰值不超过42.4V或直流值不超过60V的二次电路;使用基本绝缘与危险电压进行隔离。沿面距离:沿绝缘表面测得的两个导电零部件之间或导电零部件与设备界面之间的最短距离,又称爬电距离。空间距离:在两个导电零部件之间或导电零部件与设备界面之间测得的最短空间距离,又称电气间隙。工作绝缘(国标称为功能绝缘):设备正常工作所需的绝缘。基本绝缘:对电击提供基本保护的绝缘。

9)加强绝缘:一种单一的绝缘结构,其所提供的防电击的保护等级相当于双重绝缘

10) 附加绝缘:除基本绝缘以外施加的独立的绝缘,用以减小在基本绝缘一旦失效时仍能防止电击。

  1. 绝缘工作电压:当设备在其额定电压下并在正常使用的条件下工 作时,所考虑的绝缘上所承受到的或能够承受的最高电压。

12) A型可插式设备:预定要通过非工业用插头和插座,或通过电器连接器,或者通过这两者,与建筑物电源配线连接的设备。

安规通则:

注:如下为GB4943-2001 (等同IEC60950-1)在此上的规定,仅作参考,具体情况须取得LAYOUT、安规及客户的三方共识。不同污染等级所要求的最小电气间隙和爬电距离适用范围不同。一般认为,UPS设备属污染等级2范围,依从GB4943-2001(等同IEC60950-1)之条款,原则上应以此作为下限选择,但实际情况应以客户认可的规定为准。

[1] 对A型可插式设备而言,输入线路部分与其它线路(保护地线除外)间作基本绝缘,输入线路内部间作工作绝缘。

[2] 一次侧内部线路间作工作绝缘。

[3] 二次侧内部线路间作工作绝缘。

[4] 一次侧线路与安全特低电压电路间作加强绝缘。

[5]一次侧线路与二次侧线路(安全特低电压电路除外)间作基本绝缘。

[6] 保护地线与一次侧线路间作基本绝缘,保护地线与二次侧线路(安全特低电压电路除外)间作基本绝缘。

[7] 保护地线与安全特低电压电路间作工作绝缘。

[8]如板面限制而无法满足沿面距离时,应以开槽的方式改善,槽宽最小为1mm。

注意:确定基本绝缘和加强绝缘时,其绝缘工作电压应该取输入电源和线路实际工作电压的大者。

沿面距离、空间距离与附加距离(来源于GB4943-2001)

焊盘间的安规间距既要符合沿面距离的要求,又要符合空间距离的要求。

1.3.1 沿面距离:

表一 最小沿面距离

绝缘工作电压小于和等于V有效值或直流值

(V有效值)

最小沿面距离(毫米)

基本绝缘和工作绝缘

加强绝缘

10

0.4

0.8

12.5

0.42

0.8

20

0.45

0.9

32

0.53

1.1

40

1.1

2.2

50

1.2

2.4

100

1.4

2.8

125

1.5

3.0

150

1.6

3.2

200

2.0

4.0

250

2.5

5.0

300

3.2

6.4

400

4.0

8.0

600

6.3

12.6

1000

10.0

20.0

1.3.2 空间距离:

绝缘工作电压

小于和等于

最小空间距离(毫米)

额定电源电压

V≤150V

额定电源电压

150V < V ≤300V

额定电源电压

300V < V ≤600V

V峰值或直流值

V

V有效值(正弦)

V

工作

绝缘

基本

绝缘

加强

绝缘

工作

绝缘

基本

绝缘

加强

绝缘

工作

绝缘

基本

绝缘

加强

绝缘

一次侧电路间或者一次侧与二次侧电路间

二次侧电路间

一次侧电路间或者一次侧与二次侧电路间

二次侧电路间

一次侧电路间或者一次侧与二次侧电路间

二次侧电路间

一次侧电路间或者一次侧与二次侧电路间

二次侧电路间

一次侧电路间或者一次侧与二次侧电路间

二次侧电路间

一次侧电路间或者一次侧与二次侧电路间

二次侧电路间

71

50

0.4

0.4

1.0

0.7

2.0

1.0

0.7

2.0

1.0

4.0

2.0

1.7

3.2

2.0

6.4

140

100

--

0.6

--

0.7

--

--

0.7

--

1.0

--

--

1.7

--

2.0

--

210

150

0.5

0.6

1.0

0.9

2.0

1.4

0.7

2.0

1.0

4.0

2.0

1.7

3.2

2.0

6.4

280

200

--

1.1

--

1.4

--

--

1.1

--

1.4

--

--

1.7

--

2.0

--

420

300

1.5

1.6

2.0

1.9

4.0

1.5

1.6

2.0

1.9

4.0

2.5

1.7

3.2

2.0

6.4

700

500

--

2.5

--

2.5

--

--

2.5

--

2.5

--

--

2.5

--

2.5

--

840

600

3.0

3.2

3.2

3.2

6.4

3.0

3.2

3.2

3.2

6.4

3.0

3.2

3.2

3.2

6.4

1400

1000

4.2

4.2

4.2

4.2

6.4

4.2

4.2

4.2

4.2

6.4

4.2

4.2

4.2

4.2

6.4

备注: 1.“—”的部分在标准上没有定义,可以采用插入法,求出最小空间距离。

2. 额定电源电压是指输入电源的输入电压有效值的最大电压,单相电源是指相电压,三相电源是指线电压。假如一次侧电路有隔离变压器,隔离变压器后的电路应以变压器的二次侧作为其输入电源。

3.按以上表格参数,当所查绝缘工作电压值对应的最小空间距离数值大于对应的最小沿面距离数值时,最小空间距离数值应以最小沿面距离数值作为考量值。

4.一次侧和二次侧之间如要采用加强绝缘时,一次侧元器件与二次侧元器件在承受10N±1N的恒定作用力后的空间距离须满足加强绝缘所要求的最小空间距离。

1.3.4 高档机间距要求(高档机或欧洲机型需满足如下规定)

如下附件是其依从IEC60950-1在其UPS上所规定的详细(供参考)

2 EMC及电气

2.1 定义:

① EMC(Electro Magnetic Compatibility):电磁兼容性,指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

② EMI(Electromagnetic Interference):电磁干扰,指装置或系统正常工作过程中出现的不利于功能的信号,可能来自外界,也可能来自自身。

③ 单点接地:所有单元电路的地线都有连接到系统地的一个节点上。又分为并联单点接地及串联单点接地。

④ 多点接地:各单元电路的地线直接连接到系统地或地平面上,有多个节点接地。

⑤ 脏点区域:电路中dv/dt或di/dt较大而容易对其周围电路或空间产生干扰的区域。

2.2 Layout 之EMC及电气原则:

首先需要对所选用元器件及各种插座的规格、尺寸、面积等有完全的了解;对各部件的位置安排作合理、仔细的考虑;清楚了解电路各部分参数--包括各环路电流,线路电压、频率等;对电磁场兼容性、抗干扰性、电源、地的路径、去耦及安全规格的硬性规定等方面进行详细考虑。下面主要为LAYOUT在EMC及电气上基本规范。

2.2.1 空间布局基本原则

2.2.1.1 机构设计考量

包括PCB尺寸大小,高度等的限制,PCB固定位置,含有插座的PCB的位置等。确认PCB的机构限制条件,作为PCB layout及元器件选择和设计的标准以完成PCB 的外形轮廓。

2.2.1.2热流设计考量

*热性能参数与风向流动位置基本关系:耐热性及热性能差的器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容及参数温漂教大的器件等)置于冷却气流的上游(入口处);耐热性及热性能好的器件(如功率晶体管、大规模集成电路等)放在冷却气流下游;耐热性及热性能相当者,发热大或散热性差的元器件设计在冷却气流的上游,反之置于下游处。

*热源均衡原则:均衡布局,适当分散排列高发热元件以改善PCB半成品的散热性。

*散热通畅原则:在需要散热之处须确保空气的流畅性。

*温度独立原则:需要保持温度独立性如热敏电阻等器件须与无关的发热或散热器件保持适当距离,并与其所感应器件保持良好接触及最小温差。

*热敏感器件布置原则:电解电容及因温度会引起关键参数较大变化(包括寿命参数)的元器件,须远离大发热源并注意其有效散热性。

*PCB的散热: PCB板的散热主要依靠空气流动,而空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动,故在PCB Layout上配置器件时,要避免在某个区域留有较大的空域;用导热系数大的材料(如铜板,铝板)作散热板,或适当增加PCB上铜箔散热的表面积(如提高铜箔利用率,和PCB焊锡面加防焊条)使PCB上高发热元件产生的热量向PCB上的铜箔的表面扩散,以消除局部过热,改善PCB的散热能力;如因为PCB厚度方向的导热系数比表面的导热系数小得多,可以在PCB的铜箔上增加贯通孔(孔径一般为0.4mm~0.8mm), IC的正下方可以增加多个贯通孔。

2.2.2平面布局及走线基本原则

*平面布局原则:以电流回路面积最小化及独立性为基本原则。按功能模块/电路级别/工作频率分开,间隔距离以干扰源强度和受扰源敏感度为主要考量依据。配合空间布局就近走线。避免回路相互跨越(光耦/变压隔离及差分信号可不作为回流路径)。在多层板的层布局,应尽量用填满的地线层和电源层把数字信号层隔开。一般地,内层分别用做电源层、地线层:以降低供电线路的阻抗,抑制公共阻抗噪声;对信号线形成均匀的接地面;加大信号线和接地面间的分布电容,抑制其向空间辐射的能力。

*方向原则:从焊接面看,元件的排列次序尽可能保持与原理图相一致。

*参数清晰原则:清楚了解电路各部分参数--包括各环路电流、电压、频率等。提供于Layout部进行布线的原理图纸,在需注意的高频/高压/大电流/高敏感的原理图地方进行相关参数标识,必须包括有:所有功率变换电路的功率路径电压电流标识;脏点区域的电流电压峰值及dv/dt、di/dt值标识;驱动支路的敏感标识;取样反馈放大支路的敏感标识。

*宽度原则:地线宽>电源线宽>信号线宽。根据线路载流量确定宽度尺寸,TRACE宽度与电流承载量的关系图见本节后附图。(目前在使用的TRACE线宽主要有0.2mm 、0.25mm、0.33mm、0.5mm、0.76mm、1.02mm、1.52mm、1.78mm、2.03mm、2.28mm、2.54mm)在设计中根据使用环境、铜箔温度及负载作适当选择。尽量保持路径宽度的一致性(改变路径宽度会对路径阻抗产生改变,从而能产生反射和造成线路阻抗不平衡)。(载流量与宽度关系图表如下:)

附图: TRACE宽度与电流承载量的关系图

(附注:上面曲线以45℃的曲线作为参考标准。)

*走线原则:以近、短、简为基本。信号线应少拐弯少用外接跨线,改变方向时应走斜线并取半径大者,不可产生锐角。避免走线交叉,对于不可避免的交叉线条,可以用“钻”、“绕”两种办法解决(即让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去,或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去)。在电路复杂情况下,可斟酌用导线跨接或过孔以解决交叉电路问题并同时简化设计。模拟信号避免长距离平行走线数字信号与模拟信号如须混合,走线互相以90度交叉,以减少交叉耦合影响。

1)环路面积最小原则

环面积越小,对外的辐射越少。针对这一规则,在地平面分割时,要考虑到地平面与重要信号走线的分布,防止由于地平面开槽等带来的问题;在双层板设计中,在为电源留下足够空间的情况下,应该将双面留下的部分用地信号填充,且增加一些必要的孔,将双面地信号有效连接起来,对一些关键信号尽量采用地线隔离,对一些频率较高的设计,需特别考虑其地平面回路问题,建议采用多层板为宜。

2)窜扰分析与控制规则

主要针对比较长的平行走线而言,一般来说,采用差分信号方式设计,能产生比较理想的效果;在背板设计中,一般采用中间隔地方式;对普通的印制板设计来说,应该尽量将线间距离尽量隔开一些,以减低窜扰。

3)走线屏蔽规则

对应地线回路规则,实际上也是为了尽量减小信号的回路面积,多见于一些比较重要的信号,如时钟信号,同步信号;对一些特别重要,频率特别高的信号,应该考虑采用铜轴电缆屏蔽结构设计,即将所布的线上下左右用地线隔离,而且还要考虑好如何有效的让屏蔽地与实际地平面有效结合

4)走线的方向控制规则

即相邻层的走线方向成正交结构,这是设计的基本要求,但在实际设计中很难做到,在设计中应该尽量去做。不要将不同的信号线在相邻层走成同一方向,以减少不必要的窜扰;对背板上出现该情况,特别是信号速率又高时,应考虑用地平面隔离各布线层,用地信号线隔离各信号线

5)走线的开环检查规则

主要是为了避免产生"天线效应",我们知道,在天线的末端面积越小,其发射效果越显著。对一些高频信号,一定要避免这样的设计产生,否则可能带来不可预知的结果。

6) 阻抗匹配检查规则

主要是为了防止产生反射,在设计中应该尽量避免这样的设计发生,有时设计无法避免类似的结构时,我们应该尽量减少中间不一致部分的有效长度,对诸如BGA之类的器件,这类问题将可能难以避免。

7) 走线闭环检查规则

即布线自环规则,主要是一些设计由于层数太多而没有注意到这类问题的发生,在设计中,务必使重要信号不要产生类似的结构,尽量减少信号由于形成环状而产生的辐射大增情况。

8) 走线的分枝长度控制规则

9) 走线的谐振规则

主要针对高频信号设计而言,即布线长度不得与其波长成整数倍关系,以免产生谐振现象。

10) 走线长度控制规则

即短线规则,也就是说在设计时应该尽量让布线长度尽量短,以减少由于走线过长带来的干扰问题,特别是一些重要信号线,如时钟线,我们务必将其振荡器放在离器件很近的地方。对驱动多个器件的情况,一定要考虑好采用何种布局方式。必要时必须牺牲布局来满足特定的要求

11) 倒角规则

主要是防止尖角处阻抗太大,产生辐射,同时工艺性能也不好。一般将此作为一项必须遵守的规则。

12) 器件去耦规则

也就是增加必要的去耦电容,滤除电源上的干扰信号,使电源信号稳定。在多层板中,对去耦电容的位置一般要求不太高,但对双层板,去耦电容的布局及电源的布线方式将直接影响到整个系统的稳定性,有时甚至关系到设计的成败。

在双层板设计中,一般应该使电流先经过滤波电容滤波再供器件使用,同时还要充分考虑到由于器件产生的电源噪声对下游的器件的影响,一般来说,采用总线结构设计比较好,在设计时,我们还要考虑到由于传输距离过长而带来的电压跌落给器件造成的影响,必要时增加一些电源环路,避免产生电位差。

在高速电路设计中,能否正确地使用去耦电容,关系到整个板的稳定性。

13) 孤立铜区控制规则

孤立铜区的出现,将带来一些不可预知的问题,因此将孤立铜区与别的信号相接,有助于改善信号质量,通常是将孤立铜区接地或删除。在实际的设计中,有时我们会看见厂家将一些板的空置部分增加了一些小小的铜薄,这主要是为了方便印制板加工,同时对防止引制板翘曲也有一定的作用。

14) PCB板层定义规则

该规则主要目的是尽量隔离布线层,有效地降低信号间的干扰。

15)电源与地线层的阻抗匹配规则

实际上该规则与地线回路规则的本质是一样的,都是为了有效减少信号环面积,减少干扰。


16) 3W规则

对一些带强烈高频成分的时钟信号,如果别的线与之靠得过近时,这些已达RF频率的能量将传到其它的信号上,为了有效的改善这类问题,经过实验证实,如果在相邻的信号之间增加一条接地的隔离线,那么信号之间的影响将大大减少,也就是说,如果保持两信号线中间的距离大于3倍信号宽度的距离,将有效改善相邻信号线之间的EMI干扰,这就是通常所说的3W规则。3W规则可保持70%的电场不互相干扰,如要达到98%的电场不互相干扰,可使用10W的间距

17)20H规则

电源平面和地平面间的RF耦合可能进入自由空间,如图1中的左图所示。很高速的PCB中,为了避免电源平面层向自由空间辐射能量,因此所有的电源平面必须小于地平面,向内缩进20H。为了更好地实行20H规则,就要使电源和地平面间的厚度最小,接近电源平面的走线层可布线区,就等于电源平面铜皮实体投影区。(从另外一个图中可看出,接近地平面的走线层可布线区,就是地平面铜皮实体投影区)

遵从20H规则会使PCB的电源层与地层间的电容的自谐振频率提高约2-3倍。20H规则会使边缘效应减小70%,如果要想达到98%的效果,必须遵从100H规则。

如果在PCB上存在分区,后面章节会考虑到,也要在高频率带宽区(CPU、以太网、SCSI等)实行20H规则,当数字和模拟区之间提供隔离或滤波时,在分界线上也要适用20H规则。如图2所示。

18) 五-五规则

印制板层数选择规则,即时钟频率到5MHz或脉冲上升时间小于5ns,则PCB板须采用多层板,这是一般的规则,有的时候出于成本等因素的考虑,采用双层板结构时,这种情况下,最好将印制板的一面做为一个完整的地平面层,这是比较常见的。

*大电流线路原则:公共地线、功率电源引线、功率电路等大电流走线应尽可能宽大,以降低路径电阻及其电压降,减小寄生耦合而产生的自激。

*差分信号原则:差分信号走线应遵循基本原则“等长、等距”和“尽量靠近”原则。

*接地原则:以阻抗最小化及回路独立为基本原则。同一级电路的接地点应尽量靠近,本级电路的电源滤波电容亦须接于该级地点上。模拟放大部分应注意因接地阻抗引入之干扰(例如晶体管基极、发射极过长的接地点引起干扰与自激)。低频回路在信号源端单点接地,高频电路考虑采用多点接地(电路尺寸大于0.15*工作波长)。控制部分的地系统与功率变换部分地系统保持单点接地。总地线须严格按高频-中频-低频一级级地按弱电到强电的顺序排列原则,切不可随便翻来复去乱接,级与级间宁肯可接线长点,也要遵守这一规定。高频电路考虑采用大面积包围式地线,以保证有良好的屏蔽效果。

电子设备中有三种基本的接地 方式:单点接地、多点接地、浮地。

1) 单点接地

单点接地适用于频率较低的电路中(1MHZ以下)。若系统的工作频率很高,以致工作波长与系统接地引线的长度可比拟时,单点接地方式就有问题了。当地线的长度接近于1/4波长时,它就象一根终端短路的传输线,地线的电流、电压呈驻波分布,地线变成了辐射天线,而不能起到“地”的作用。为了减少接地阻抗,避免辐射,地线的长度应小于1/20波长。在电源电路的处理上,一般可以考虑单点接地。

2 多点接地

多点接地是指设备中各个接地点都直接接到距它最近的地平面上,使接地引线的长度最短。多点接地电路结构简单,接地线上可能出现的高频驻波现象显著减少,适用于工作频率较高的(>10MHZ)场合。但多点接地可能会导致设备内部形成许多接地环路,从而降低设备对外界电磁场的抵御能力。在多点接地的情况下,要注意地环路问题,尤其是不同的模块、设备之间组网时。

多点接地减小了地阻抗,使RF电流从地平面流进底盘地。在很高频的电路,元件接地脚的长度必须尽可能短。走线电感与线宽和线高度(走线到平面层距离)有关,通常约为每英寸15-20nH,此电感与地平面和底盘平面间的分布电容结合可能会引起谐振。

数字电路必须看成是高频率的模拟电路,由逻辑电路组装的板上,低阻抗接地很重要。PCB内的地平面为电源和信号电流提供了一个低电感的接地回路,走线就可能使用阻抗不变的传输线。当连接地平面和底盘平面时,提供了RF电流的高频去耦作用,这些RF电流是由平面和它们相关的信号走线组成的谐振电路产生的。用高质量的旁路电容0.1uF和0.001uF并联放在每个接地点上。底盘地频繁直接连接到PCB内的地平面,减小板与底盘间的RF电压和电流。如果磁回路很小(最高的RF产生频率的1/20波长),RF抑制能力会增强。

3)浮地

浮地是指设备地线系统在电气上与大地绝缘的一种接地方式。

由于浮地自身的一些弱点,不太适合于我们公司的一般的大系统中,其接地方式很少采用。

对于给定的设备或系统。接地方式的一般选取原则,根据经验法则,对于低于1MHZ的电路,采用单点接地较好;对于高于10MHZ,则采用多点接地为佳。

对于接地的一般选取原则如下:

(1)低频电路(<1MHZ),建议采用单点接地;

(2)高频电路(>10MHZ),建议采用多点接地;

(3)高低频混合电路,混合接地。

*电路隔离化:依据回路独立及最小化的原则,适当考虑引入如光耦及变压器等器件或电路模式对各回路进行隔离,以限制电流绕行路径之长度。这可令一些电路得到回路的简单化和独立化(光耦/变压隔离及差分信号可不作为回流路径)。

*滤波器布置:滤波器的前后走线不得重叠或交叉,以避免干扰源跨越滤波器干扰到滤波后的线路。

在SPS电源中,EMI滤波器的输出接高频开关整流器,属于噪声污染源。若输出在线的噪声通过电场耦合或磁场耦合到输入电力线,会使EMI滤波器的效果大大降低,为了减小影响,要求EMI滤波器的输入线与输出线间尽量远离,且不能相邻的平行走线。如下图

多级滤波器串联

多级滤波器串联时,级与级间距离尽量拉远,避免级间的电感互相耦合。多级滤波器的布局,根据上述的原则,选择相应的排列方式,一般是以直线排列的方式,且相邻两电感方向互相垂直较好。

*功率开关器件布置:开关及整流器件须靠近电感器或变压器件放置,连接导线须短而粗。

EMI滤波器,一般摆放在电源线入口处,并且远离开关晶体管、输出整流器、变压器、输出电感等产生噪声的源头,使EMI滤波器有一个干净的区域。为此,在整体布局时,应将开关晶体管、输出整流器、变压器等污染源的摆放尽量远离输入输出端口处。以标准的输入输出电源接线端在后盖板的模式为例,比较好的布局如下图所示,A、B、C三处距离近量远一些。

如果因为结构或其它原因使滤波器与噪声源之间的距离远离的话,则建议将滤波器用金属罩或其它结构屏蔽起来,并将屏蔽可靠接地。

共模/差模电感的摆置

在EMI滤波器中,共模电感会产生强力的杂散磁场,这些杂散磁场容易干扰其它组件,因此滤波电容应尽量远离,尤其是电容引线较长时更是如此,其它敏感信号线也要避免从该区域穿越。共模(差模)电感是由线圈绕制在磁芯上组成,电感上的线圈很容易耦合信号,因此需要注意,电感要远离开关晶体管、变压器等高度干扰源。右图说明,输出滤波电感将噪声耦合到输入共模电感,使EMI测试值超过标准。在左图说明,将共模电感移开,并转换摆放方向,则EMI测试值就明显下降。

好的摆放 不好的摆放

电容的摆置

Y电容摆置于靠近接地螺丝的位置,使Y电容与接地螺丝间的走线为最短,一般走线长度超过3~4cm则Y电容的滤波效果接近于零。一般DIP电容是以脚长约6mm,来测试共振频率的高、低,来辨别好坏;当走线长度为3cm时,表示共振频率点前移约

= 0.4 Fo,所以滤波效果很差。又Y电容一端与机壳(大地GND)相连,所以放置时,必须遵循相关安全规范。

*空间飞线放置:外接的电缆(输入、输出、电池线、通讯线等)在内部路径尽量短,不同类型信号导线分组捆扎,组间保持适当距离并远离强干扰源(如:CPU、脏点区域)

布线考虑

经过正确且无误的布线方式,才能使EMI滤波器发挥预期般的功能,随意的布线将使滤波器的功能减少甚至于消失,以下为布线时须注意的事项。

电容的引线最短

抑制差模噪声电容的Trace较细时,应使电容的引线最短。

电容的引线开槽

抑制差模噪声的电容的Trace较粗时,在保证过电流的基础上,应在电容焊着处的铜皮上,开一个近1mm小长槽。

接地线设计

抑制共模噪声,电容的Trace的画法,应使用电容的引线最短的方式,地线应尽量短且适当加粗。

建议的方法是在符合安规的前提下,对EMI滤波器部分进行大面积的铺地处理,所有走线由地的Trace平面所包围,然后将大面积的地与机壳可靠的连接。

2.2.3 常用功率变换电路之EMC基本原则

2.2.3.1 层的设置及选择

在PCB的EMC设计考虑中,首先涉及的便是层的设置; 单板的层数由电源、地的层数和信号层数组成;电源层、地层、信号层的相对位置以及电源、地平面的分割对单板的EMC指标至关重要。

合理的层数

根据单板的电源、地的种类、信号密度、板级工作频率、有特殊布线要求的信号数量,以及综合单板的性能指标要求与成本承受能力,确定单板的层数;对于EMC指标要求苛刻(如:产品需认证CISPR22 CLASS B)而相对成本能承受的情况下,适当增加地平面乃是PCB的EMC设计的杀手锏之一。

VccGND 作为参考平面,两者的作用与区别

电源、地平面均能用作参考平面,且有一定的屏蔽作用;但相对而言,电源平面具有较高的特性阻抗,与参考电平存在较大的电位势差;从屏蔽的角度,地平面一般均作了接地处理,并作为基准电平参考点,其屏蔽效果远远优于电源平面;

在选择参考平面时,应优选地平面。

电源层、地层、信号层的相对位置

对于电源、地的层数以及信号层数确定后,它们之间的相对排布位置是每一个EMC工程师都不能回避的话题;

单板 层的排布一般原则:

a. 元件面下面(第二层)为地平面,提供器件屏蔽层以及为顶层布线提供参考平面;

b. 所有信号层尽可能与地平面相邻;

c. 尽量避免两信号层直接相邻;

d. 主电源尽可能与其对应地相邻;

e. 兼顾层压结构对称。

注:具体PCB的层的设置时,要对以上原则进行灵活掌握,在领会以上原则的基础上,根据实际单板的需求,如:是否需要一关键布线层、电源、地平面的分割情况等,确定层的排布:

四层板,优选方案1,可用方案3。

方案1

此方案为CAD室现行四层PCB的主选层设置方案,在元件面下有一地平面,

关键信号优选布TOP层;至于层厚设置,有以下建议:

  • 满足阻抗控制
  • 芯板(GND到POWER)不宜过厚,以降低电源、地平面的分布阻抗;保证电源平面的去耦效果;

为了达到一定的屏蔽效果,有人试图把电源、地平面放在TOP、BOTTOM层,

即采用方案2:

此方案为了达到想要的屏蔽效果,至少存在以下缺陷:

  • 电源、地相距过远,电源平面阻抗较大
  • 电源、地平面由于元件焊盘等影响,极不完整
  • 由于参考面不完整,信号阻抗不连续

实际上,由于目前大量采用表贴器件,对于器件越来越密的情况下,本方案的电源、地几乎无法作为完整的参考平面,预期的屏蔽效果很难实现;

方案3:

此方案同方案1类似,适用于主要器件在BOTTOM布局或关键信号底层布线的情况;

六层板,优选方案3,可用方案1,备用方案2、4

对于六层板,优先考虑方案3,优选布线层S2,其次S3、S1。主电源及其对应的地布在4、5层,层厚设置时,增大S2-P之间的间距,缩小P-G2之间的间距(相应缩小G1-S2层之间的间距),以减小电源平面的阻抗,减少电源对S2的影响;

在成本要求较高的时候,可采用方案1,优选布线层S1、S2,其次S3、S4,与方案1相比,方案2保证了电源、地平面相邻,减少电源阻抗,但S1、S2、S3、S4全部裸露在外,只有S2才有较好的参考平面;对于局部、少量信号要求较高的场合,方案4比方案3更适合,它能提供极佳的布线层S2

2.2.3.2 FLY-BACK电路架构:

FLY-BACK电路框架

1-3K机型FLY-BACK电路LAYOUT示范

① 功率电流路径原则:初级:BulkCap变压器功率开关 BulkCap / 次级:变压器整流二极管输出电容变压器两极回路应粗短化;输入输出电容直接于此两路径。

② 图示两个回路面积最小化;控制回路与功率回路相互独立并保持适当距离,PWM驱动信号源及驱动电阻应靠近被驱动之开关管。

③ 脏点区域(变压器功率开关/变压器整流二极管)最短化,伸展面积最小化。此部分区域须远离小信号敏感路径。

④ 依VinCinTX,DCoutVout的顺序放置Cin、Cout,并确保电流全部经过此两电容再到后边电路。

⑤ 充电器输出到电池正、负极的走线粗短。

⑥ 功率开关的clamp电路须紧靠变压器,snubber电路须紧靠功率开关,且两回路面积最小化。

2.2.3.3 PUSH-PULL电路架构:

PUSH-PULL框架

1-3K机型PUSH-PULL电路LAYOUT示范

  1. 变压器一次侧的两个回路保持对称以保证两部分的阻抗一致,避免阻抗差造成的磁不平衡性。
  2. 功率电流路径原则:初级:电池正变压器功率开关电池负 / 次级:变压器整流桥变压器 / 整流桥BUS电容整流桥三个路径应粗短化。
  3. 图示三个回路面积最小化,走线粗短;控制回路与功率回路相互独立保持适当距离;PWM驱动信号源及驱动电阻应靠近被驱动之开关管。
  4. 脏点区域(变压器功率开关/变压器整流桥)最短化,伸展面积最小化。此部分区域须远离小信号敏感路径。
  5. 依BAT+Cin +TXMOSFETCin –BAT–的顺序放置,并确保电流全部经过 Cin和BUS电容再到后边电路。
  6. 功率开关的clamp/snubber电路须紧靠被保护的开关,走线粗短且回路面积最小化。

2.2.3.4逆变半桥电路架构

半桥电路架构

功率线尽量粗短,脏点区域(功率开关输出电感)最短化,面积最小化。

1-3K机型半桥逆变电路LAYOUT示范

① 功率电流路径原则:BUS电容功率开关输出电感输出电容的路径应粗短化。

② 图示两个回路面积最小化,走线粗短;控制回路与功率回路相互独立保持适当距离;PWM驱动信号源及驱动电阻应靠近被驱动之开关管。

③ 脏点区域(功率开关输出电感)最短化,伸展面积最小化。此部分区域须远离小信号敏感路径。

④ 依BUS电容功率开关输出电感输出电容的顺序布置,并确保电流全部经过BUS电容和输出电容再到后边电路。

⑤ 功率开关的Clamp/Snubber电路须紧靠被保护的开关,走线粗短且回路面积最小化。

2.2.3.5 PFC电路架构

PFC电路框图

1-3K机型PFC电路LAYOUT示范

  1. 功率电流路径原则:输入Boost电感整流桥功率开关电流感应器整流桥输入地 / Boost电感整流二极管BUS电容输入两路径应粗短化;BUS电容直接接于输出路径上。
  2. 图示三个回路面积最小化且走线粗短;控制回路与功率回路相互独立保持适当距离;PWM驱动信号源及驱动电阻应靠近被其驱动之开关管。
  3. 脏点区域(Boost电感整流桥功率开关 / Boost电感整流二极管)粗短,伸展面积最小化。此部分区域须远离小信号敏感路径。
  4. 流经整流二极管的+BUS、-BUS电流须先经过BUS电容的两端,再送到逆变器。
  5. 功率开关的clamp/snubber电路须紧靠被保护的开关,走线粗短且回路面积最小化。

2.2.4 控制电路之EMC基本原则

控制部分电路属于模拟小电流信号敏感区,故在布局及走线时须特别注意其被干扰影响的可能性。

布局:各功能及各频率范围模块电路分开独立放置;远离高电压大电流路径及大辐射区域,例如dv/dt 、di/dt较大的地方;将回路面积最小化以减少电感性耦合。

走线:线路的高频阻抗特性及电感电容效应在这里更为明显。故须尽量缩短线长,加大线距。

地线:地线阻抗及各回路间在其上的相互干扰对这部分的影响结果很严重。须与大电流的功率回路地分开

一些具体细节:

① 数字电路与模拟电路之间应该保留相当间距,DSP、MCU电路必须严格区分数字地、模拟地以及数字电源和模拟电源。

② IC的电源与地线平行进入,电源的去耦与滤波电容靠近IC放置,各IC的地线应从电源滤波电容处并联单点接地(即进行回路独立化,减少各回路间在地线上的相互干扰)。

③ 晶振到IC的引线尽可能短,晶振部分地线以最短走线单点接至IC接地脚,该部分回路面积最小化;

④ 敏感信号(复位信号/取样信号/开关驱动信号/晶振电路/高速通信电路)布线须远离功率变换器等大功率高噪声电路。

  1. 常用驱动IC及其周边元件、去耦电容LAYOUT时接地顺序(依如下简图所示):
  • UC3842/3/4/5
  • UC3525A

2.2.5 MCU电路之EMC基本原则

MCU部分电路是高频信号集聚区,应注意以下一些具体细节

① MCU电源的旁路和去耦电容要放置在电源进来的一边而且要靠近MCU。

② MCU的地线须粗短;在没有参考电源和地平面的情况下,地线与电源线平行进入MCU。

③ 晶振电路部分的地要以最短的走线单点接到MCU的接地PIN的地,地线须粗且回路面积最小化。

④ 对于具有相同频率、相同功能的同一组数据线、地址线、信号线,同一组布线需要保持一致(宽度、长度、线间距等)。

⑤ 未被使用的MCU管脚,亦必须依该接脚之功能经上下拉电阻接Vcc或Ground,不可以将该脚浮接,避免因信号干扰而发生不可预期之现象。

2.2.6字符的标示

⑴ 字符标示为水平或右转90度摆放。

⑵ 字符标示应避开PAD、镀通孔或零件本体,焊锡面字符标示还应避开下层防焊。

⑶ 所有的PCB,均须在左下角依次用大写英文字母标示打样次数,并用括号括起。 在PCB上须标示其所属的料号、功用和机种(例:098-01895-00 2K/3K PSDR),并在板边空白处绘制一30mm*5mm的方框,用于贴SN标签。

⑷ 在PCB上预留一宽度不小于2mm、面积不小于100mm2的无丝印无元件的位置,用于供应商标示耐燃等级、经UL认可的编号、厂标、型号、周期章。

⑸ 在PCB上的保险丝附近须标示其额定电压、额定电流、熔断特性。

  1. 在PCB上的输入L、N线和输出L、N线及电池端子附近须有标示

[7] 考虑到不同客户的需求,所有PCB不加“STK”或“山特”丝印

3 PCB各要素物理特性及电气性能

3.1 布线的电气参数

电阻:由铜箔材质电阻率、长度及横截面积决定。其一般正比于电阻率及长度,而反比于横截面积,即R=ρ*(L/S)(S为铜箔横截面积, L为铜箔长度, ρ为电阻率)。

电容:布线的电容主要由绝缘体介电常数、电流到达的范围面积及走线的间距共同决定。其一般正比于介电常数及电流到达的范围面积,而反比于走线的间距。即C∝EoErA/h(其中Eo为自由空间介电常数,Er为PCB基体介电常数,A为电流到达范围的面积,h为走线的间距)。

电感:布线的电感平均分布在布线中,其正比于走线的长度。


3.2 各要素物理特性

过孔:多层印刷电路板中常用到过孔,中其会产生nH级的电感和pF级的电容到路径上。

密集洞及过孔:密集洞及过孔会令电源及地位面在靠近此地方产生局部化的阻抗差异。供电面在这点是高阻状态,各回路信号在此区域上较活跃。故在进行回路分析时应特别留意回路信号在此区域上被其它回路的信号干扰。

切分孔隙:在铜箔中的切分孔隙(即长洞或宽通道)会令电源及地位面在靠近此地方产生局部化的阻抗差异,局部性地递增电源位面和地位位面的阻抗。与上一物理要素类似,回路分析时亦应留意信号间的相互干扰。

短截线:其会产生反射,同时具有发射及接受干扰的天线特性。虽然短截线长度不一定是系统信号四分之一波长的整数倍,但附带的辐射可能在截线上产生共鸣。

金属化模具:散热片等大的金属区域有较大的寄生电容特性,且能充当辐射天线。

器件引脚(端):引脚型器件在每个引脚上都会的产生一寄生电感及电容。寄生电感其与引脚长度基本成比,约为每毫米nH级;寄生电容约为每引脚pF级。贴片型产生的寄生电感及电容则分别略小于引脚型。


4 附录:以下操作由硬件工程师负责

4.1. PCB LAYOUT中硬件工程师的工作开展

4.2.PCB LAYOUT 审查清单

备注:本规范与下列规范配套使用:

《PCBA制程规范》,《PCB技术规范》,《无铅PCB Layout绘制标准》。

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