實(shí)用EMI噪訊對(duì)策技術(shù)講座--印刷電路板_高都電子PCB技術(shù)中

印刷電路板在設(shè)計(jì)之初往往有相當(dāng)大的問題，尤其是在基板、Layout、布線…等部份都需要注意，本文將從這些面向加以探討。 
 
印刷電路基板的噪訊對(duì)策

幾乎所有的電路都使用印刷電路基板，這意味著印刷電路基板的噪訊對(duì)策儼然成為噪訊對(duì)策的核心。

如圖1所示，印刷電路基板內(nèi)的電路可以分成三大類：
*電源/大地電路
*主信號(hào)電路（）
*接口電路

主信號(hào)電路是執(zhí)行實(shí)際電路動(dòng)作的部位，主信號(hào)電路隨著電路的種類與用途，還能夠再細(xì)分成數(shù)個(gè)單元。接口電路是執(zhí)行印刷電路基板與外部信號(hào)交易（接口）的電路，接口電路以噪訊對(duì)策立場(chǎng)而言，它具備防止印刷電路基板外部的噪訊滲入電路基板，以及電路基板內(nèi)部的噪訊放射至基板外部?jī)煞N功能。

電源/大地（ground）電路主要功能是提供電源給信號(hào)電路與接口電路，大地具備不平衡電路的折返線功能。原本電源與大地必需維持穩(wěn)定的電位，不過實(shí)際上電源與大地會(huì)各自產(chǎn)生共通阻抗（impedance），因此在噪訊對(duì)策上屬于非常棘手部位。

印刷電路基板的Layout

以噪訊對(duì)策觀點(diǎn)而言，必需根據(jù)種類與用途將電路加以分類，才能夠?qū)⒃胗崒?duì)策配置（Layout）在印刷電路基板上。原則上高噪訊加害性電路與低抗噪訊電路，最好能夠分別配置在獨(dú)立的電路基板上，不過實(shí)際上基于成本與電路規(guī)模等考慮，兩電路混載情況相當(dāng)普遍。

如上所述高噪訊加害性電路與低抗噪訊電路，兩者必需盡量分開配置，尤其是噪訊很大的信號(hào)線，盡量避免長(zhǎng)距離回繞布線。加害性很高的布線則盡量避免通過低抗噪訊電路周圍，如果采取平行或是密接布線時(shí)，crosstalk會(huì)有變大之虞。 布線的回繞方式取決于組件的配置，為達(dá)成上述布線原則，組件的配置成為重要的課題。

圖2是典型的印刷電路基板Layout范例，如圖所示該電路基板是復(fù)數(shù)個(gè)電路基板之中的一片，此時(shí)只要透過主機(jī)板就能夠進(jìn)行信號(hào)交易。主機(jī)板執(zhí)行基板之間的數(shù)據(jù)交易時(shí)通常會(huì)有Bus通行，雖然圖2的基板主體是數(shù)字電路，不過卻混載小規(guī)模的模擬電路。

數(shù)字電路透過主機(jī)板端的接口電路，除了與其它基板進(jìn)行接口（interface）之外，數(shù)字接口還能夠與外部進(jìn)行其它接口作業(yè)。 模擬電路能夠與外部進(jìn)行模擬信號(hào)交易，模擬電路單元設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換器，為了避免模擬電路對(duì)數(shù)字接口發(fā)生噪訊干擾，因此設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)必需遠(yuǎn)離數(shù)字接口。

模擬電路的電源必需與數(shù)字電路的電源完全分開獨(dú)立設(shè)置，不過模擬電路的電源電壓若與數(shù)字電路的電源電壓相同時(shí)，模擬電路的噪訊很低的情況除外，模擬電路可以使用部份的數(shù)字電路電源，此時(shí)必需在模擬電源的入口處設(shè)置濾波器，杜絕數(shù)字電路的噪訊。

至于大地則是將數(shù)字與模擬單元連接成一點(diǎn)，再利用數(shù)字與模擬連接部位的圖案（pattern）不規(guī)則回繞設(shè)計(jì)使它具備若干的阻抗，再利用該阻抗能夠使數(shù)字與模擬單元產(chǎn)生分離效果。

印刷電路基板的布線

基板的入口處通常會(huì)設(shè)置旁通電容器（bypass condenser）。以圖2為例，旁通電容器設(shè)置在數(shù)字電源電路端。基板入口處的旁通電容器，除了發(fā)揮旁通電容器原本的功能之外，它還可以抑制基板內(nèi)的電源阻抗，過濾來自基板外部的噪訊。為強(qiáng)化上述目的，某些電路還會(huì)插入電感與旁通電容器形成LC濾波器（圖3）。

電感器一旦使直流重迭時(shí)，由于直流成份的影響造成電感值大幅降低。此外電源用電感會(huì)有很大的直流電流動(dòng)，因此必需選擇適合的電感器。一般電源基板入口處設(shè)置的電感器，大多使用圖4的Toroidal型電感器。

旁通電容器采用兩段式結(jié)構(gòu)，為了使旁通電容器支持應(yīng)寬廣的頻域，因此必需分別使用可以支持低頻的電容器與支持高頻的電容器?；迦肟谔幵O(shè)置的電容器屬于低頻用，雖然它的容量取決于基板內(nèi)部流動(dòng)的電流值，不過一般都使用數(shù)十μF左右的鋁質(zhì)電電容器。

高頻用旁通電容器則設(shè)置在IC附近，大多使用數(shù)0.01μF左右的陶瓷電容器。理想上每個(gè)IC附近最好插入一個(gè)旁通電容器，小電流IC每隔2~3個(gè)設(shè)置一個(gè)即可。第二段旁通電容器同樣設(shè)置在IC附近，如果距離IC太遠(yuǎn)的話，由于受到圖中的電感器影響，容易造旁通電容器效果被削弱等問題。

圖5是距離與旁通電容器的互動(dòng)特性測(cè)試結(jié)果，圖5（a）的旁通電容器與IC的距離為10cm，圖5（b）為3cm，兩者其它條件完全相同，不過（a）與（b）的效果卻截然不同，距離為10cm時(shí)旁通電容器幾乎未發(fā)揮任何作用。

本實(shí)驗(yàn)使用數(shù)字IC（Inverter），圖中的?為IC的動(dòng)作波形，如圖所示隨著動(dòng)作波形的變化，IC的電源電流也發(fā)生改變。?－?為電源－大地之間的波形，如圖所示?變化時(shí)，電源內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的噪訊。

圖6的旁通電容器外觀上看似非?？拷麵C，實(shí)際卻是典型的設(shè)計(jì)不當(dāng)范例。旁通電容器的效果，基本上取決于電源－大地－圖案三者之間的回繞方式，雖然旁通電容器的效果非常大，不過布線的阻抗也非常重要，因此設(shè)計(jì)上通常會(huì)使用非常粗大的圖案（圖7）。

此處為探討圖案的影響，IC附近刻意不插入旁通電容器，只在基板入口處設(shè)置的旁通電容器，其結(jié)果如圖7所示。圖7（a）從旁通電容器一直到IC為止的圖案比較細(xì)長(zhǎng)（高阻抗），圖7（b）的圖案則比較粗短（低阻抗），不過兩者的波形都呈振動(dòng)狀。

振動(dòng)的原因主要是連結(jié)（Linking）所造成，以圖7（a）為例，由于連結(jié)周期與布線長(zhǎng)度呈比例，因此圖7（a）的連結(jié)周期非常長(zhǎng)，而且振幅也比較大。圖7（a）的Linking最初呈站立狀，?的波形凸出延伸（亦即圖7（a）的上方箭頭處與下方③的部位），實(shí)際上①部位的波形也呈相同形狀。

連結(jié)波形之中②部位對(duì)照?波形的站立，雖然①與③對(duì)照呈下降狀，不過①、②、③三者的連結(jié)振幅彼此相異，主要原因是受到IC的”H”/”L”非對(duì)稱性特性影響所致，一般IC的”L”電流驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)大者居多，因此此處IC也出現(xiàn)相同現(xiàn)象。

一般低頻模擬電路只須一點(diǎn)接地（earth）即可，高頻時(shí)則需采用Beta earth方式，此時(shí)包含大地（ground）在內(nèi)所有有關(guān)電源的布線，也必需采用Beta earth設(shè)計(jì)方式，至于數(shù)字電路空白部位，若以Beta圖案填補(bǔ)非常有效。

多層基板的電源與大地（ground）大多采用Beta圖案設(shè)計(jì)方式，主要理由是Beta圖案的阻抗比線狀圖案低，而且Beta圖案還兼具遮蔽（shield）信號(hào)導(dǎo)線層的功能，這意味著多層基板在噪訊對(duì)策上非常有效。 設(shè)計(jì)信號(hào)導(dǎo)線首要工作是縮短信號(hào)導(dǎo)線的長(zhǎng)度，因此布線前組件的配置技巧具有決定性影響。

基板內(nèi)的布線大多是不平衡狀態(tài)，此時(shí)電路上必需考慮包含信號(hào)線在內(nèi)的信號(hào)折返線（亦即大地線）。信號(hào)線與大地線構(gòu)成的電路，必需避免變成大面積回路（loop）。此外基于crosstalk等考慮，設(shè)計(jì)上必需盡量避免低抗噪訊信號(hào)線與高加害性信號(hào)線鄰接、平行配置，無法回避時(shí)可以在兩信號(hào)線之間插入大地線（ground wire）。

高阻抗部位的抗噪訊能力不如低阻抗部位，因此高阻抗部位的布線必需采取最短距離設(shè)計(jì)，或是加長(zhǎng)低阻抗部位的布線長(zhǎng)度，必要時(shí)可以插入緩沖器（buffer）。

長(zhǎng)距離布線時(shí)信號(hào)線的阻抗會(huì)變成信號(hào)線的阻抗特性，布線很短時(shí)布線兩端的其中一端會(huì)受到低阻抗支配，因此可以將布線整體視為低阻抗。信號(hào)線的一端為驅(qū)動(dòng)端，另一端為接收端的設(shè)計(jì)相當(dāng)普遍，驅(qū)動(dòng)端的輸出阻抗很低，接收端的輸出阻抗卻很高，信號(hào)線很短的場(chǎng)合，驅(qū)動(dòng)端的阻抗可以視為低阻抗。

如圖9所示驅(qū)動(dòng)與接收端之間插入高阻抗組件時(shí)，高阻抗組件與接收端之間的布線會(huì)變成高阻抗，此時(shí)必需縮減高阻抗部份的布線長(zhǎng)度，加長(zhǎng)低阻抗部份的布線長(zhǎng)度。圖9中的接收器為反相增幅器，由于應(yīng)用增幅器的輸入阻抗很高，因此電阻器RS與RF之間的（B）屬于高阻抗，換言之此時(shí)必需縮減該部位的布線長(zhǎng)度，加長(zhǎng)（A）部位的布線長(zhǎng)度

設(shè)計(jì)基板布線時(shí)必需注意反射造成的連接（linking），尤其是驅(qū)動(dòng)與接收端挾持的信號(hào)線，剛好符合產(chǎn)生連接的條件。以往基板不太會(huì)發(fā)生連接問題，主要原因是在一般尺寸的基板內(nèi)部，連接的頻率大多比信號(hào)的頻率高（長(zhǎng)20cm的圖案，頻率大約是250MHz）。

此外IC選擇取決于信號(hào)的頻率，低動(dòng)作頻率的IC無法使大于本身頻率的信號(hào)通過，換言之IC本身具備濾波器效應(yīng)，即使有高頻連接通常都不會(huì)造成困擾。不過最近幾年信號(hào)的頻率不斷更新記錄，基板內(nèi)部信號(hào)與連接的頻率非常接近，導(dǎo)致連接問題越來越嚴(yán)重。

高頻噪訊（noise）不但會(huì)在信號(hào)線內(nèi)部傳遞，還會(huì)透過信號(hào)線放射散播，因此單純?cè)诮邮斩嗽O(shè)置濾波器，過濾連接的效果非常有限，根本對(duì)策是徹底消弭連接（圖10）。信號(hào)頻率很高時(shí)，延緩信號(hào)的站立方法容易造成信號(hào)本身遲鈍，另外一種方法是使接收端適當(dāng)終結(jié)藉此消除連接，不過終結(jié)接收端時(shí)電流仍舊在流動(dòng)它會(huì)消費(fèi)電力，基于省能源等考慮一般都是采取驅(qū)動(dòng)端終端設(shè)計(jì)方式。

如果接收端插入濾波器，在接收端可以消除連接，不過卻無法消除信號(hào)在線的連接。如圖10（b）所示驅(qū)動(dòng)端插入濾波器可以取代終端電阻器。信號(hào)在線的濾波器通常都是使用圖11所示的Ferrite beads type。

中空?qǐng)A筒狀Ferrite beads磁性材料，利用通過中心的導(dǎo)線形成電感器（Induct）。理想性電感器完全沒有損失，只有純粹的電感值，實(shí)際電感器則有損失。損失越低表示電感器的質(zhì)量越高，電感器的質(zhì)量指針為「Q」，Q值越大損失越低，零損失時(shí)Q值為無限大。

不過噪訊濾波器要求適當(dāng)?shù)膿p失，尤其是連接防止用電感器的損失如果太低時(shí)幾乎沒有任何效果。圖12是兩端的反射100%布線，使用零損失理想電感器時(shí)的模擬分析連接波形（因?yàn)槟M分析可以創(chuàng)造零損失時(shí)各種狀態(tài)）。

由圖可知隨著電感值的大小，連接的波形與頻率也跟著改變，不過連接卻不會(huì)衰減，連接會(huì)隨著信號(hào)在布線中復(fù)數(shù)次的往返不斷產(chǎn)生，電感值則限制該往返信號(hào)的頻率。

純電感值不會(huì)消費(fèi)信號(hào)的能量，因此連接不但不會(huì)衰減反而會(huì)不斷產(chǎn)生，此處為了消弭連接，因此要求一定的能量損失，亦即濾波器必需具備適當(dāng)?shù)膿p失。Ferrite beads的損失并非單純的阻抗，它的損失大小具備頻率特性，因此透過適當(dāng)?shù)腇errite beads特性選擇（頻率特性、電感值、損失的大小），不但可以使信號(hào)的波形遲鈍，還能夠有效抑制連接。

圖13是實(shí)際使用Ferrite beads時(shí)的波形，值得一提的是Ferrite beads并非連接至基板內(nèi)的圖案，而是直接與接口連接。如圖所示13（a）是無Ferrite beads時(shí)的波形；圖（b）~（d）分別是逐漸增加Ferrite beads電感值時(shí)的波形。

圖13（b）仍舊殘留若干連接；圖13（d）出現(xiàn)癱陷（sag），圖中水平部位應(yīng)該呈平整狀，實(shí)際上卻是急遽下降之后略為提高，至于癱陷則是電感值過大造成的特殊現(xiàn)象。圖13（c）被認(rèn)為最適宜的Ferrite beads。數(shù)字信號(hào)的場(chǎng)合，圖13（d）比較妥適，不過即使是圖13（d）的波形也不會(huì)引發(fā)誤動(dòng)作。若與圖13（c）比較，信號(hào)的高頻成份反而大幅減少，其結(jié)果如圖14所示，來自信號(hào)信的放射噪訊亦隨著降低。