高速DSP系统的电路板级电磁兼容性设计

0 引言
    印制线路板(PCB)提供电路元件和器件之间的电气连接，是各种电子设备最基本的组成部分，它的性能直接关系到电子设备质量的好坏。随着电子技术的发展，各种电子产品经常在一起工作，它们之间的干扰越来越严重，所以电磁兼容问题成为一个电子系统能否正常工作的关键。同样，随着PCB的密度越来越高，PCB设计的好坏对电路的干扰及抗干扰能力影响很大。要使电子电路获得最佳性能，除了元器件的选择和电路设计之外，良好的PCB布线在电磁兼容性中也是一个非常重要的因素。
    随着高速DSP技术的广泛应用，相应的高速DSP的PCB设计就显得十分重要。由于DSP是一个相当复杂、种类繁多并有许多分系统的数、模混合系统，所以来自外部的电磁辐射以及内部元器件之间、分系统之间和各传输通道间的串扰对DSP及其数据信息所产生的干扰，已严重地威胁着其工作的稳定性、可靠性和安全性。据统计，干扰引起的DSP事故占其总事故的90％左右。因此设计一个稳定、可靠的DSP系统，电磁兼容和抗干扰至关重要。

1 DSP的电磁干扰环境
    电磁干扰的基本模型由电磁干扰源、耦合路径和接收机3部分组成，如图1所示。

    电磁干扰源包含微处理器、微控制器、静电放电、瞬时功率执行元件等。随着大量高速半导体器件的应用，其边沿跳变速率非常快，这种电路可以产生高达300 MHz的谐波干扰。耦合路径可以分为空间辐射电磁波和导线传导的电压与电流。噪声被耦合到电路中的最简单方式是通过导体的传递，例如，有一条导线在一个有噪声的环境中经过，这条导线通过感应接收这个噪声并且将其传递到电路的其他部分，所有的电子电路都可以接收传送的电磁干扰。例如，在数字电路中，临界信号最容易受到电磁干扰的影响；模拟的低级放大器、控制电路和电源调整电路也容易受到噪声的影响。

2 DSP电路板的布线和设计
    良好的电路板布线在电磁兼容性中是一个非常重要的因素，一个拙劣的电路板布线和设计会产生很多电磁兼容问题，即使加上滤波器和其他元器件也不能解决这些问题。
    正确的电路布线和设计应该达到如下3点要求：
    (1)电路板上的各部分电路之间存在干扰，电路仍能正常工作；
    (2)电路板对外的传导发射和辐射发射尽可能低，达到有关标准要求；
    (3)外部的传导干扰和辐射干扰对电路板上的电路没有影响。
2．1 元器件的布置
    (1)元器件布置的首要问题是对元器件进行分组。元器件的分组原则有：按电压不同分；按数字电路和模拟电路分；按高速和低速信号分和按电流大小分。一般情况下都按照电压不同分或按数字电路与模拟电路分。
    (2)所有的连接器都放在电路板的一侧，尽量避免从两侧引出电缆。
    (3)避免让高速信号线靠近连接器。
    (4)在元器件安排时应考虑尽可能缩短高速信号线，如时钟线、数据线和地址线等。
2．2 地线和电源线的布置
    地线布置的最终目的是为了最小化接地阻抗，以此减小从电路返回到电源之间的接地回路电势，即减小电路从源端到目的端线路和地层形成的环路面积。通常增加环路面积是由于地层隔缝引起的。如果地层上有缝隙，高速信号线的回流线就被迫要绕过隔缝，从而增大了高频环路的面积，如图2所示。

    图2中高速线与芯片之间进行信号传输。图2(a)中没有地层隔缝，根据“电流总是走阻抗最小的途径”，此时环路面积最小。图2(b)中，有地层隔缝，此时地环路面积增大，这样就产生如下后果：
    (1)增大向空间的辐射干扰，同时易受空间磁场的影响；
    (2)加大与板上其他电路产生磁场耦合的可能性；
    (3)由于环路电感加大，通过高速线输出的信号容易产生振荡；
    (4)环路电感上的高频压降构成共模辐射源，并通过外接电缆产生共模辐射。
    通常地层上的隔缝不是在分地时、有意识地加上的，有时隔缝是因为板上的过孔过于接近而产生的，因此在PCB设计中应尽量避免该种情况发生。[!--empirenews.page--]
    电源线的布置要和地线结合起来考虑，以便构成特性阻抗尽可能小的供电线路。为了减小供电用线的特性阻抗，电源线和地线应该尽可能的粗，并且相互靠近，使供电回路面积减到最小，而且不同的供电环路不要相互重叠。在集成芯片的电源脚和地脚之间要加高频去耦电容，容量为O．01～O．1μF，而且为了进一步提高电源的去耦滤波的低频特性，在电源引入端要加上1个高频去耦电容和1个1～10μF的低频滤波电容。
    在多层电路板中，电源层和地层要放置在相邻的层中，从而在整个电路板上产生一个大的PCB电容消除噪声。速度最快的关键信号和集成芯片应当布放在临近地层一边，非关键信号则布放在靠近电源层一边。因为地层本身就是用来吸收和消除噪声的，其本身几乎是没有噪声的。
2．3 信号线的布置
    不相容的信号线之间能产生耦合干扰，所以在信号线的布置上要把它们隔离，隔离时采取的措施有：
    (1)不相容信号线应相互远离，不要平行，分布在不同层上的信号线走向应相互垂直，这样可以减少线间的电场和磁场耦合干扰；
    (2)高速信号线特别是时钟线要尽可能的短，必要时可在高速信号线两边加隔离地线；
    (3)信号线的布置最好根据信号流向顺序安排，一个电路的输入信号线不要再折回输入信号线区域，因为输入线与输出线通常是不相容的。
    当高速数字信号的传输延时时间Td>Tr(Tr为信号的脉冲上升时间)时，应考虑阻抗匹配问题。因为错误的终端阻抗匹配将会引起信号反馈和阻尼振荡。通常线路终端阻抗匹配的方法有串联源端接法、并联端接法、RC端接法、Thevenin端接法4种。
    (1)串联源端接法
    图3为串联源端接电路。

    源端阻抗Zs和分布在传输线上的阻抗Zo之间，加上源端接电阻Rs，用来完成阻抗匹配，Rs还能吸收负载的反馈。这里的Rs必须离源端尽可能的近，理论上应为Rs=Zo-Zs中的实数值。一般Rs取15～75Ω。
    (2)并联端接法
    图4为并联端接电路。附加1个并联端电阻Rp，这样Rp与ZL并联后就与Zo相匹配。这个方法需要源驱动电路来驱动一个较高的电流，能耗很高，所以在功耗小的系统中不适用。

    (3)RC端接法
    图5为RC端接电路。该方法类似于并联端接电路，但引入了电容C1，此时R用于提供匹配Zo的阻抗。C1为R提供驱动电流并过滤掉从传输线到地的射频能量。因此与并联端接方法相比，RC端接电路需要的源驱动电流更少。R和C1的值由Zo，Tpd(环路传输延迟)和终端负载电容值Cd决定。时间为常数，RC=3Tpd，其中R∥ZL=Zo，C=C1∥Cd。

    (4)Thevenin端接法
    图6为Thevenin端接电路。该电路由上拉电阻R1和下拉电阻R2组成，这样就使逻辑高和逻辑低与目标负载相符。其中，R1和R2的值由R1∥R2=Zo决定，R1+R2+ZL的值要保证最大电流不能超过驱动电路容量。

3 结语
    本文通过对电子产品电磁环境的分析，确定高速DSP系统中产生干扰的主要原因，并针对这些原因，通过对高速DSP系统的多层板布局、器件布局以及PCB布线等方面进行分析，给出有效降低DSP系统的干扰、提高电磁兼容性能的措施。从设计层次保证了高速DSP系统的有效性和可靠性。合理布局设计，减少噪声，降低干扰，避开不必要的失误，对系统性能的发挥起到不可低估的作用。