??? 關鍵詞: 多層布線? 電源電路? 電磁干擾(EMI)? PROTEL99SE? 電磁兼容(EMC)

??? 隨著現代電子設備工藝結構的發展,印制電路板已取代了以往的許多復雜配線,為設備的制造和維修提供了極大的方便。另一方面,集成電路的迅猛發展更加促進了印制電路板技術的飛速發展。目前,電子設備中常用的印制電路板有以下幾種:一種為單面布線印制板,它是在一個表面敷有銅箔且厚度為0.2～5.0mm的絕緣基板上形成印制電路,適用于一般要求的電子設備,如收音機等。另一種為雙面布線印制板,是在兩個表面敷有銅箔且厚度為0.2～5.0mm的絕緣基板上形成印制電路,提高了布線密度,減小了設備體積,適用于電子儀器、儀表等。還有一種就是極富生命力的多層布線印制電路板,它是通過幾層較薄的單面或雙面板粘合,在絕緣基板上形成三層以上的印刷電路而制成。它與集成電路配合使用,可以減小電子產品的體積與重量;通過增設屏蔽層,可以提高電路的電氣性能。如今,大規模和超大規模集成電路已在電子設備中得到廣泛應用,而且元器件在印刷電路板上的安裝密度越來越高,信號的傳輸速度更是越來越快,由此而引發的EMC問題也變得越來越突出。單面、雙面布線已滿足不了高性能電路的要求,而多層布線電路的發展為解決以上問題提供了一種可能,并且其應用正變得越來越廣泛。?

??? 電源有如人體的心臟,是所有電設備的動力。電源電路的選擇和設計直接關系到設備的EMI/EMC規范,甚至關系到設備的基本性能。本文通過分析多層布線的特點及其發展,探討了電源電路中EMI產生的原因,給出了多層布線的一些布線規則及抑制EMI的措施,最后介紹PROTEL99SE軟件及其應用。?

1 多層布線的特點及發展?

??? 圖1給出了多層電路板結構層面剖視圖。多層板是通過電鍍通孔把重疊在一起的n層印制電路板連接成一個整體。?

1.1 多層布線特點?

??? 多層布線之所以逐漸得到廣泛的應用,究其原因,不乏有以下幾個特點:?

??? (1)多層板內部設有專用電源層、地線層,減小了供電線路的阻抗,從而減小了公共阻抗干擾。?

??? 印制電路板上單根銅箔導線的特性阻抗為:?

??? Z=R+jωL???????????????????????????????????? (1)?

??? R為印制導線的直流電阻,可以通過下式求得:?

??? R=ρl/bd?????????????????????????????????? ? (2)?

??? ρ——銅的體積電阻率(Ω·cm)???????? ?

??? l——印制導線長度(cm)?

??? b——印制導線寬度(cm)????????????? ?

??? d——印制導線厚度(cm)?

??? 在常溫條件下,ρ=1.75(Ω·cm),常用導線的厚度為18μm、35μm、70μm。?

??? L為印制導線的自感,可以通過下式求得:?

??? L=2l[ln(2l/b)+1/2] (nH)??????????????????????(3)?

式中,l、b的定義同上。?

??? 由公式(2)、(3)可以看出,印制導線的長度、厚度一定時,增加導線的寬度可以減小導線的特性阻抗,從而相應地減小公共阻抗的干擾。?

??? (2)多層板采用專門地線層,對信號線而言都有均勻接地面,信號線的特性阻抗穩定,易匹配,減少了反射引起的波形畸變。?

??? 在電路設計中發現,當印制電路板上裝有多個集成電路,并且其中有些元件耗電很多時,地線上會出現較大電位差。原因是集成電路的開關電流i與電源線和地線的電阻R和電感L造成電壓降所至。可通過下式來描述:?

??? E=E_R+E_L=Ri+L(di/dt)?????????????????? ??????? (4)?

??? 由式(4)可以看出,通過減小R和L將使電壓降能夠顯著減小。而多層板設計中,信號線與地層之間有均勻接地面,減小了R、L,保證了地線電位的穩定。?

??? (3)采用專門的地線層加大了信號線和地線之間的分布電容,減小了串擾。?

??? 串擾是指兩個或更多導體靠得比較近時,它們之間會有容性耦合,一個導體上的電壓大幅度變化時會向其它導體耦合電流。通常耦合電容反比于導體間的距離而正比于導體的面積。因而通過減小相鄰導體間的面積并增大相鄰距離,有利于減小串擾。采用多層布線,由于增加了獨立地線層,大功率接地層上的噪聲就不會注入到其它層面上去,從而減小了高頻電流對敏感電路的影響。???? ?

??? (4)配線密度高。?

??? 與相應尺寸的雙面印制板相比,多層印制電路板器件安裝面安裝密度大,配線密度高。?

1.2 多層布線的發展?

??? 上面分析了多層布線不同于單面、雙面布線的特點。正是由于多層布線具有這些特點,從而為電路設計人員提供了一種理想的解決噪聲問題的途徑。在常規的電路設計中,去耦電容安裝得當可以使串聯阻抗減小80%左右。但是,這種大幅度抑制電源電壓波動的措施,實質上是一種補救辦法。更好的方法是不斷完善供電線路的設計,而多層布線的發展為其提供了一種可能。當然,多層電路板還存在加工工藝復雜、成本高的特點,這是阻礙其發展的因素。但隨著印刷電路板技術的發展及大規模生產,多層電路板的使用將變得越來越廣泛。?

2 電源電路電磁干擾分析及相應抑制措施?

??? 電磁兼容(EMC)是指對電磁環境進行設計的學科領域,通過研究和分析預測電磁干擾,提供抑制干擾的有效技術,進行合理設計,從而使電子系統和設備在共同的電磁環境中不受干擾的影響而相容地正常工作。電磁兼容的研究對象就是電磁干擾。隨著電子系統和設備數量的逐漸增多和性能的不斷提高,電磁干擾將越來越嚴重。而電源電路作為任何電子設備所不可缺少的部分,其性能的好壞直接關系到了設備性能的優劣。對電源電路系統來講,電磁干擾可分為輻射型和傳導型。輻射型干擾表現為電場或磁場的形式,而傳導型干擾總是以電壓或電流的形式來表現。電源電路中功率器件的切換或電源電壓的波動過程,可以在連線上產生很大的dv/dt和di/dt的信號,它可以耦合到其它連線上造成電磁干擾。因而元件的選擇對于控制電磁干擾(EMI)至關重要,而且電路板的布局和連線也具有同等重要的影響。?

2.1 電源電路中電磁干擾的產生?

2.1.1 元件選擇不合理?

??? 在電源電路中,高頻開關器件、高頻變壓器、電感等的使用,為輻射型電磁干擾的產生帶來了可能。?

2.1.2 元器件布局不合理?

??? 元器件布局的合理性直接關系到電源電路EMI水平的好壞。電源電路中功率器件的切換可以在連線上產生很大的干擾信號,它可以耦合到其它連線上造成干擾問題,布局時要進行特殊注意。?

2.1.3 布線不合理?

??? 電源電路中的走線,應該保證接地層不向電路的敏感部分耦合噪聲,高頻電流對于敏感電路會產生不可忽視的影響。研究表明,高頻開關電源電路中的EMI指標往往可以在不增加任何元器件和改變線路的條件下通過修改布線設計而得到改善。?

2.2 多層布線對抑制電磁干擾的作用?

??? 這里從布線的角度,針對多層布線在抑制電磁干擾方面的作用加以分析。?

2.2.1 布線中的一些規則?

??? 高速信號線要短,信號線和信號回路線所形成的環路面積要最小。為避免信號線之間的相互串擾,兩條信號線切忌平行,而應采取垂直交叉方式;或者拉開兩線之間的距離;也可在兩條平行的信號線之間增設一條地線。連線和電源線的走向盡量與數據傳輸方向垂直。地線的設計不應該斷開,而應該設計成環路,這樣可以避免地線上出現較大的電位差而引起地電位波動,導致信號波形產生振蕩、電路誤動作。?

2.2.2 多層布線在抑制電磁干擾中的作用?

??? 上面給出了布線的一些規則。采用單面板、雙面板設計電源電路時有些規則并不能得到很好地實現。多層布線的使用彌補了這些不足。高密度的電源電路板上,兩個或更多導體靠得比較近時,它們之間存在容性耦合,一個導體上的大幅度電壓變化會向其它導體耦合電流。一般可以通過增加它們之間的距離或在導體之間增加一條接地線來消除耦合,但應該保證接地層不向電路的敏感部分耦合噪聲,否則會對敏感電路產生不可忽視的影響。采用多層布線方式,電源、地線和信號分別占有獨立的層面(如圖1所示),這樣由整個層面構成的電源線和接地線阻抗相當低。電路板的分布電容由各層之間的距離和介電系數來決定,約為10～1000pF/cm²。圖1中的E層的上下表面經過絕緣處理,既能預防線路板向外輻射噪聲,又能防止線路板接受外來噪聲;同時,電源線被密封在板內,幾乎不接受任何外來噪聲,而且內部幾個供電面之間有很大的靜電電容,形成阻抗極低的供電線路,極大地提高了抗噪性能。?

3 PROTEL99SE簡介及其在電源電路電磁兼容設計中的應用?

3.1 PROTEL99SE簡介?

??? PROTEL99SE作為一個優秀的板級設計軟件,是一個功能強大的設計系統。它由以下幾部分構成:設計瀏覽器、原理圖捕獲、電路仿真、PLD設計、PCB布局、PCB自動布線、信號完整性分析。設計瀏覽器為設計人員方便地進入設計并使用創建設計的各種工具提供了一個便捷界面。原理圖捕獲部分類似于傳統的畫圖過程,通過計算機輔助設計自動繪圖,便捷地修改圖層。然而,PROTEL99SE中的原理圖捕獲功能塊是許多技術設計的入口點,從電路設計到PLD(可編程邏輯器件)編程,再到電路仿真和PCB設計(布局、布線),都以原理圖捕獲為基礎。電路仿真部分與原理圖編輯器緊密集成,可以直接從原理圖(原理圖中的元器件采用仿真庫模型)對模擬和數字信號設計進行混合仿真。PLD設計提供了基于原理圖及CUPL^TM硬件描述語言的可編程邏輯器件的設計手段。PCB布局和PCB自動布線完成印制電路板的布局與布線功能,執行設計規則,產生印制板加工文件及輸出文件。信號完整性分析以印制電路板設計為基礎,設定相應規則來測試網絡阻抗和上沖、下沖、上升、下降等時間。同時,通過執行反射與串擾分析,能夠確切地分析布線的性能并產生準確的結果波形。綜合各部分所完成的功能可以看出,PROTEL99SE是一個功能強大的電路設計系統。?

3.2 PROTEL99SE在電源電路電磁兼容設計中的應用?

??? 線路板設計階段如果缺乏有效的手段分析電磁干擾,則產品可能通不過EMC標準而不能進入生產。傳統的嘗試性方法仍是國內設計人員普遍采用的方法,但各種各樣的借助于計算機輔助設計的方法正應運而生。PROTEL99SE設計軟件內部的自動布線軟件包與SPICE仿真器相結合實現了具有EMC設計的PCB計算機輔助設計。?

??? 從上面布線規則可知,高速信號線要短,這可以通過配置長度約束規則來實現。對于承載高速信號的走線網絡可以采用菊花鏈拓撲,規定允許最長走線。并行導線容易引起相互串擾,可以通過配置并行走線的最大長度來把串擾限制在允許的范圍之內。由第2節分析可知,導線的特性阻抗會引起公共阻抗干擾。采用PROTEL99SE布線時,可以在信號完整性功能項設定中配置阻抗約束條件來保證網絡最大允許導線阻抗。同時,還可以通過設定信號完整性功能項中的上沖、下沖、延遲時間約束來保證信號的完整。PROTEL99SE的強大設計功能為電源電路電磁兼容的設計提供了一種手段。當然,設計過程中需要根據電磁干擾指標去分析計算相應的布線參數,這也是該軟件在電磁兼容設計中的不足之處。?

??? 多層電路板的特點使其發展具有豐富的生命力。在對性能要求高的電路設計中,多層電路板使用將成為一種趨勢。而且在電源電路的設計中由于采用多層電路板,將使電磁兼容的設計得到較大的改善。?

參考文獻?

1 PROTEL99SE設計手冊.PROTEL,2000?

2 吳漢森. 電子設備結構與工藝.北京:北京理工大學出版社,1995?

3 吳 昕,龐敏熙,錢照明等.開關電源印刷電路板EMC輔助設計與方法.電工技術學報,2000(4)?

4 張松春,趙秀芬,竺子芳. 電子控制設備抗干擾技術及其應用.北京:機械工業出版社,1998?

5 劉鵬程,邱 揚.電磁兼容原理及技術.北京:高等教育出版社,1993?

6 張占松,蔡宣三.開關電源的原理與設計.北京:電子工業出版社,1999