七、PCB EMI設計

  在PCB設計中最常見的問題就是信號線跨越分割地或電源而產生EMI問題。為規避這種EMI問題下面就為大家介紹一下汽車通訊模塊線路板廠設計中EMI設計的規范步驟。

1、IC的電源處理

  保證每個IC的電源PIN都有一個0.1μF的去耦電容，對于BGA CHIP，要求在BGA的四角分別有0.1μF、0.01μF的電容共8個。對走線的電源尤其要注意加濾波電容，如VTT等。這不僅對穩定性有影響，對EMI也有很大的影響。一般去耦電容還是需要遵循芯片廠家要求。

2、時鐘線的處理

  1.建議先走時鐘線。

  2.頻率大于等于66M的時鐘線，每條過孔數不要超過2個，平均不得超過1.5個。

  3.頻率小于66M的時鐘線，每條過孔數不要超過3個，平均不得超過2.5個

  4.長度超過12inch的時鐘線，如果頻率大于20M，過孔數不得超過2個。

  5.如果時鐘線有過孔，在過孔的相鄰位置，在第二層（地層）和第三層（電源層）之間加一個旁路電容、如圖2.5-1所示，以確保時鐘線換層后，參考層（相鄰層）的高頻電流的回路連續。旁路電容所在的電源層必須是過孔穿過的電源層，并盡可能地靠近過孔，旁路電容與過孔的間距最大不超過300MIL。

  6.所有時鐘線原則上不可以穿島（跨越分割）。下面列舉了穿島的四種情形。

  時鐘、復位、100M以上信號以及一些關鍵的總線信號不能跨分割，至少有一個完整平面，優選GND平面。

  時鐘信號、高速信號和敏感信號禁止跨分割；

  差分信號必須對地平衡，避免單線跨分割。（盡量垂直跨分割）

  所有信號的高頻返回途徑都直接位于相鄰層信號線的正下方。在信號下面設置一個實體層可以顯著減少信號完整性和時序問題，這個實體層可以為該信號提供直接回路。當走線與層分割交叉不可避免時，應使用一個 0.01 uF 回路電容。如圖所示，當使用回路電容時，應盡可能靠近信號線與層分割的交叉點布置回路電容。

  6.1 跨島出現在電源島與電源島之間。此時時鐘線在第四層的背面走線，第三層(電源層)有兩個電源島，且第四層的走線必須跨過這兩個島.

  6.2 跨島出現在電源島與地島之間。此時時鐘線在第四層的背面走線，第三層(電源層)的一個電源島中間有一塊地島，且第四層的走線必須跨過這兩個島。

  6.3 跨島出現在地島與地層之間。此時時鐘線在第一層走線，第二層(地層)的中間有一塊地島，且第一層的走線必須跨過地島，相當于地線被中斷。

  6.4 時鐘線下面沒有鋪銅。若條件限制實在做不到不穿島，保證頻率大于等于66M的時鐘線不穿島，頻率小于66M的時鐘線若穿島，必須加一個去耦電容形成鏡像通路。以圖6.1為例，在兩個電源島之間并靠近跨島的時鐘線，放置一個0.1UF的電容。

  7.當面臨兩個過孔和一次穿島的取舍時，選一次穿島。

  8.時鐘線要遠離I/O一側板邊500MIL以上，并且不要和I/O線并行走，若實在做不到，時鐘線與I/O口線間距要大于50MIL。

  9.時鐘線走在第四層時，時鐘線的參考層（電源平面）應盡量為時鐘供電的那個電源面上，以其他電源面為參考的時鐘越少越好，另外，頻率大于等于66M的時鐘線參考電源面必須為3.3V電源平面。

  10.時鐘線打線時線間距要大于25MIL。

  11.時鐘線打線時進去的線和出去的線應該盡量遠。盡量避免類似圖A和圖C所示的打線方式，若時鐘線需換層，避免采用圖E的打線方式，采用圖F的打線方式。

  12.時鐘線連接BGA等器件時，若時鐘線換層，盡量避免采用圖G的走線形式,過孔不要在BGA下面走,最好采用圖H的走線形式。

  13.注意各個時鐘信號，不要忽略任何一個時鐘，包括AUDIO CODEC的AC_BITCLK，尤其注意的是FS3-FS0,雖然說從名稱上看不是時鐘，但實際上跑的是時鐘，要加以注意。

  14.Clock Chip上拉下拉電阻盡量靠近Clock Chip。

3、I/O口的處理

  1.各I/O口包括PS/2、USB、LPT、COM、SPEAK OUT、 GAME分成一塊地，最左與最右與數字地相連，寬度不小于200MIL或三個過孔，其他地方不要與數字地相連。

  2.若COM2口是插針式的，盡可能靠近I/O地。

  3.I/O電路EMI器件盡量靠近I/O SHIELD。

  4.I/O口處電源層與地層單獨劃島，且Bottom和TOP層都要鋪地，不許信號穿島（信號線直接拉出PORT，不在I/O PORT中長距離走線）。

4、幾點說明

  1.對EMI設計規范，設計工程師要嚴格遵守，EMI工程師有檢查的權力，違背EMI設計規范而導至EMI測試FAIL，責任由設計工程師承擔。

  2.EMI工程師對設計規范負責，對嚴格遵守EMI設計規范，但仍然EMI測試FAIL，EMI工程師有責任給出解決方案，并總結到EMI設計規范中來。

  3.EMI工程師對每一個外設口的EMI測試負有責任，不可漏測。

  4.每個PCB設計工程師有對該設計規范作修改的建議權和質疑的權力。EMI工程師有責任回答質疑，對工程師的建議通過實驗后證實后加入設計規范。

  5.EMI工程師有責任降低EMI設計的成本，減少磁珠的使用個數。 

八、PCB設計的ESD抑止

  PCB布線是ESD防護的一個關鍵要素，合理的PCB設計可以減少故障檢查及返工所帶來的不必要成本。在PCB設計中，由于采用了瞬態電壓抑止器(TVS)二極管來抑止因ESD放電產生的直接電荷注入，因此PCB設計中更重要的是克服放電電流產生的電磁干擾(EMI)電磁場效應。本文將提供可以優化ESD防護的PCB設計準則。

1、電路環路

  電流通過感應進入到電路環路，這些環路是封閉的，并具有變化的磁通量。電流的幅度與環的面積成正比。較大的環路包含有較多的磁通量，因而在電路中感應出較強的電流。因此，必須減少環路面積。

  最常見的環路由電源和地線所形成。在可能的條件下，可以采用具有電源及接地層的多層PCB設計。多層電路板不僅將電源和接地間的回路面積減到最小，而且也減小了ESD脈沖產生的高頻EMI電磁場。

  如果不能采用多層電路板，那么用于電源線和接地的線必須連接成網格狀。網格連接可以起到電源和接地層的作用，用過孔連接各層的印制線，在每個方向上過孔連接間隔應該在6厘米內。另外，在布線時，將電源和接地印制線盡可能靠近也可以降低環路面積。

  減少環路面積及感應電流的另一個方法是減小互連器件間的平行通路。

  當必須采用長于30厘米的信號連接線時，可以采用保護線。一個更好的辦法是在信號線附近放置地層。信號線應該距保護線或接地線層13毫米以內。

  將每個敏感元件的長信號線(>30厘米)或電源線與其接地線進行交叉布置。交叉的連線必須從上到下或從左到右的規則間隔布置。

2、電路連線長度

  長的信號線也可成為接收ESD脈沖能量的天線，盡量使用較短信號線可以降低信號線作為接收ESD電磁場天線的效率。

  盡量將互連的器件放在相鄰位置，以減少互連的印制線長度。

3、地電荷注入

  ESD對地線層的直接放電可能損壞敏感電路。在使用TVS二極管的同時還要使用一個或多個高頻旁路電容器，這些電容器放置在易損元件的電源和地之間。旁路電容減少了電荷注入，保持了電源與接地端口的電壓差。

  TVS使感應電流分流，保持TVS鉗位電壓的電位差。TVS及電容器應放在距被保護的IC盡可能近的位置，要確保TVS到地通路以及電容器管腳長度為最短，以減少寄生電感效應。