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印刷電路板佈局指導原則 技術報告：TR-040 王見名?鄒應嶼 電力電子與運動控制實驗室 .tw/ 國立交通大學 電機與控制工程研究所 前 言 隨著高科技領域的進步，電磁干擾(electromagnetic inference, EMI)的問題也日益增多。當半導體元件速度變得愈快、密度愈高時，雜訊也愈大。對印刷電路板(PCB)設計工程師而言，EMI的問題也日趨重要。忽視EMI佈局的設計工程師，將發現其設計不是在執行時無法與規格一致，就是根本無法動作。 藉由適當的印刷電路板佈局技術與配合系統化的設計方法，可預先避免EMI問題的干擾。 本文所列舉的電路板佈局指導原則雖非解決EMI問題的萬靈丹，但利用已證實的佈局方法，可有效的降低在以高頻微處理器/數位信號處理器為基礎的數位類比混合信號系統中的EMI干擾。 電磁干擾簡介 PCB的佈局原則 元件的放置 接地的佈局/接地雜訊的定義/降低接地雜訊 電源線的佈局與解耦/電源線的雜訊耦合/電源線濾波器 (power line filter) 信號的佈局 數位IC的削尖電容(despiking capacitor) 數位電路的雜訊與佈線 類比電路的雜訊與佈線 PCB 佈局降低雜訊的檢查要項 2. EMI 簡 介 2.1 雜訊的定義 雜訊係指除了所需的信號以外而出現在電路內的任何電氣訊號[Motchenbacher and Fitchen, 1973]，此定義並不包含內部的失真訊號－一種非線性的附屬品。所有電子系統都或多或少有些雜訊，但只有當雜訊影響到系統的正常執行時才會發生問題。 雜訊的來源可被歸類成三種不同的典型： 人為的雜訊源一數位電子、無線電傳輸、馬達、開關、繼電器等等。 天然的干擾一太陽黑子及閃電。 純質的雜訊源一從實際系統產生的相關隨機擾動，諸如熱雜訊和凸波雜訊。 我們應當瞭解，雜訊是不可能完全被去除的，但是經由適當的接地(grounding)、屏避(shielding)與濾波(filtering)，則可將其干擾儘量降低。對於一個良好的電路設計，預防勝於發生問題後的電路修改。在電路板的佈局即開始做好雜訊防治的工作，是建構高可靠度低雜訊電子系統的首要工作。 2.2 EMI的起源 EMI的來源包括微處理器、開關電路、靜電放電、發射器、暫態電源元件、電源以及閃電。在一個微處理器為基礎的電路板內，數位時序電路通常是寬頻帶雜訊的最大產生者，這所謂的寬頻帶即指分佈於整個頻譜的雜訊。隨著快速半導體以及更快的邊緣變化率的增加，這些電路可能產生高達300 MHz的諧波干擾，這些高頻諧波應予以遮蔽或濾除。 2.3 EMI 傳輸 瞭解雜訊如何傳輸有助於辨識電路內部的電磁干擾問題。雜訊的發生必需要有來源(source)、耦合路徑(coupling path)以及易感染的接收器(susceptible receptor) [Ott, 1988] ，這三者必需一起出現才會有EMI問題的存在，圖1說明EMI如何以耦合方式進入一個系統。因此，若是三者之一被排除於系統之外或被減少，干擾才會消失或降低。圖1是以馬達控制為例的EMI說明，其中功率級至馬達的線圈電流是產生EMI的來源，控制器的低階訊號(數位或類比信號)是易受干擾的接收器，耦合路徑則可能是經由傳導方式(經由電源或地線)或輻射方式。 圖1. EMI的雜訊源、傳導路徑與接收器 圖2. 以馬達控制為例的EMI傳導路徑 2.4 耦合路徑 雜訊會耦合到電路內的較明顯方式之一是透過電導體(傳導方式)。假如訊號線經過一個充滿雜訊的環境，訊號線將受感應拾取雜訊信號並傳至電路的其它部分，例如電源供應器的雜訊就會經由電源線而耦合至電路，如圖3所示。 圖3. 傳導耦合雜訊 耦合也會因電路中具有或使用共同阻抗(common impedance)而產生。圖4(a) 的兩個子電路因為有著共同的接地阻抗，因此會彼此影響。另外一種狀況則發生在兩個子電路共同使用同一個電源供應器，圖4(b)即為此種狀況。若是電路(一)突然產生較大的電流，則電路(二)的供應電壓將會因共用電源線間的共同阻抗與內阻而降低。從電路(二)流出之數位迥路電流會在共用之迴路阻抗產生高頻數位雜訊，此雜訊在電路(一)的迴路產生接地跳動，不穩定的接地會嚴重衰減低頻類比電路的訊號雜訊比，像是運算放大器和類比數位轉換器等等。這種藕合效應可藉由降低共同阻抗而減弱(加寬電源線的拉線寬度)，但內阻來自電源供應器則無法改變。此種狀況，在接地迴路的導線也有相同的效應，由此可知電源供應器的輸出阻抗(output impedance)也會影響電路對雜訊的抵抗能力。 圖4. 經由共同組抗而耦合的雜訊 雜訊的耦合也可經由電磁輻射的方式發生，此種狀況會發生在所有具有共同輻射電磁