高速DSP系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計方案

0 引言

印制線路板（PCB）提供電路元件和器件之間的電氣連接，是各種電子設(shè)備最基本的組成部分，它的性能直接關(guān)系到電子設(shè)備質(zhì)量的好壞。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種電子產(chǎn)品經(jīng)常在一起工作，它們之間的干擾越來越嚴重，所以電磁兼容問題成為一個電子系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。同樣，隨著PCB的密度越來越高，PCB設(shè)計的好壞對電路的干擾及抗干擾能力影響很大。要使電子電路獲得最佳性能，除了元器件的選擇和電路設(shè)計之外，良好的PCB布線在電磁兼容性中也是一個非常重要的因素。

隨著高速DSP技術(shù)的廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的高速DSP的PCB設(shè)計就顯得十分重要。由于DSP是一個相當復(fù)雜、種類繁多并有許多分系統(tǒng)的數(shù)、?；旌舷到y(tǒng)，所以來自外部的電磁輻射以及內(nèi)部元器件之間、分系統(tǒng)之間和各傳輸通道間的串擾對DSP及其數(shù)據(jù)信息所產(chǎn)生的干擾，已嚴重地威脅著其工作的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。據(jù)統(tǒng)計，干擾引起的DSP事故占其總事故的90％左右。因此設(shè)計一個穩(wěn)定、可靠的DSP系統(tǒng)，電磁兼容和抗干擾至關(guān)重要。

1 DSP的電磁干擾環(huán)境

電磁干擾的基本模型由電磁干擾源、耦合路徑和接收機3部分組成，如圖1所示。

電磁干擾源包含微處理器、微控制器、靜電放電、瞬時功率執(zhí)行元件等。隨著大量高速半導(dǎo)體器件的應(yīng)用，其邊沿跳變速率非?？?，這種電路可以產(chǎn)生高達300 MHz的諧波干擾。耦合路徑可以分為空間輻射電磁波和導(dǎo)線傳導(dǎo)的電壓與電流。噪聲被耦合到電路中的最簡單方式是通過導(dǎo)體的傳遞，例如，有一條導(dǎo)線在一個有噪聲的環(huán)境中經(jīng)過，這條導(dǎo)線通過感應(yīng)接收這個噪聲并且將其傳遞到電路的其他部分，所有的電子電路都可以接收傳送的電磁干擾。例如，在數(shù)字電路中，臨界信號最容易受到電磁干擾的影響；模擬的低級放大器、控制電路和電源調(diào)整電路也容易受到噪聲的影響。

2 DSP電路板的布線和設(shè)計

良好的電路板布線在電磁兼容性中是一個非常重要的因素，一個拙劣的電路板布線和設(shè)計會產(chǎn)生很多電磁兼容問題，即使加上濾波器和其他元器件也不能解決這些問題。

正確的電路布線和設(shè)計應(yīng)該達到如下3點要求：

（1）電路板上的各部分電路之間存在干擾，電路仍能正常工作；

（2）電路板對外的傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射盡可能低，達到有關(guān)標準要求；

（3）外部的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾對電路板上的電路沒有影響。

2．1 元器件的布置

（1）元器件布置的首要問題是對元器件進行分組。元器件的分組原則有：按電壓不同分；按數(shù)字電路和模擬電路分；按高速和低速信號分和按電流大小分。一般情況下都按照電壓不同分或按數(shù)字電路與模擬電路分。

（2）所有的連接器都放在電路板的一側(cè)，盡量避免從兩側(cè)引出電纜。

（3）避免讓高速信號線靠近連接器。

（4）在元器件安排時應(yīng)考慮盡可能縮短高速信號線，如時鐘線、數(shù)據(jù)線和地址線等。

2．2 地線和電源線的布置

地線布置的最終目的是為了最小化接地阻抗，以此減小從電路返回到電源之間的接地回路電勢，即減小電路從源端到目的端線路和地層形成的環(huán)路面積。通常增加環(huán)路面積是由于地層隔縫引起的。如果地層上有縫隙，高速信號線的回流線就被迫要繞過隔縫，從而增大了高頻環(huán)路的面積，如圖2所示。

圖2中高速線與芯片之間進行信號傳輸。圖2（a）中沒有地層隔縫，根據(jù)“電流總是走阻抗最小的途徑”，此時環(huán)路面積最小。圖2（b）中，有地層隔縫，此時地環(huán)路面積增大，這樣就產(chǎn)生如下后果：

（1）增大向空間的輻射干擾，同時易受空間磁場的影響；

（2）加大與板上其他電路產(chǎn)生磁場耦合的可能性；

（3）由于環(huán)路電感加大，通過高速線輸出的信號容易產(chǎn)生振蕩；

（4）環(huán)路電感上的高頻壓降構(gòu)成共模輻射源，并通過外接電纜產(chǎn)生共模輻射。

通常地層上的隔縫不是在分地時、有意識地加上的，有時隔縫是因為板上的過孔過于接近而產(chǎn)生的，因此在PCB設(shè)計中應(yīng)盡量避免該種情況發(fā)生。

電源線的布置要和地線結(jié)合起來考慮，以便構(gòu)成特性阻抗盡可能小的供電線路。為了減小供電用線的特性阻抗，電源線和地線應(yīng)該盡可能的粗，并且相互靠近，使供電回路面積減到最小，而且不同的供電環(huán)路不要相互重疊。在集成芯片的電源腳和地腳之間要加高頻去耦電容，容量為0．01～0．1μF，而且為了進一步提高電源的去耦濾波的低頻特性，在電源引入端要加上1個高頻去耦電容和1個1～10μF的低頻濾波電容。

在多層電路板中，電源層和地層要放置在相鄰的層中，從而在整個電路板上產(chǎn)生一個大的PCB電容消除噪聲。速度最快的關(guān)鍵信號和集成芯片應(yīng)當布放在臨近地層一邊，非關(guān)鍵信號則布放在靠近電源層一邊。因為地層本身就是用來吸收和消除噪聲的，其本身幾乎是沒有噪聲的。

2．3 信號線的布置

不相容的信號線之間能產(chǎn)生耦合干擾，所以在信號線的布置上要把它們隔離，隔離時采取的措施有：

（1）不相容信號線應(yīng)相互遠離，不要平行，分布在不同層上的信號線走向應(yīng)相互垂直，這樣可以減少線間的電場和磁場耦合干擾；

（2）高速信號線特別是時鐘線要盡可能的短，必要時可在高速信號線兩邊加隔離地線；

（3）信號線的布置最好根據(jù)信號流向順序安排，一個電路的輸入信號線不要再折回輸入信號線區(qū)域，因為輸入線與輸出線通常是不相容的。

當高速數(shù)字信號的傳輸延時時間Td》Tr（Tr為信號的脈沖上升時間）時，應(yīng)考慮阻抗匹配問題。因為錯誤的終端阻抗匹配將會引起信號反饋和阻尼振蕩。通常線路終端阻抗匹配的方法有串聯(lián)源端接法、并聯(lián)端接法、RC端接法、Thevenin端接法4種。

（1）串聯(lián)源端接法

圖3為串聯(lián)源端接電路。

源端阻抗Zs和分布在傳輸線上的阻抗Zo之間，加上源端接電阻Rs，用來完成阻抗匹配，Rs還能吸收負載的反饋。這里的Rs必須離源端盡可能的近，理論上應(yīng)為Rs=Zo-Zs中的實數(shù)值。一般Rs取15～75Ω。

（2）并聯(lián)端接法

圖4為并聯(lián)端接電路。附加1個并聯(lián)端電阻Rp，這樣Rp與ZL并聯(lián)后就與Zo相匹配。這個方法需要源驅(qū)動電路來驅(qū)動一個較高的電流，能耗很高，所以在功耗小的系統(tǒng)中不適用。

（3）RC端接法

圖5為RC端接電路。該方法類似于并聯(lián)端接電路，但引入了電容C1，此時R用于提供匹配Zo的阻抗。C1為R提供驅(qū)動電流并過濾掉從傳輸線到地的射頻能量。因此與并聯(lián)端接方法相比，RC端接電路需要的源驅(qū)動電流更少。R和C1的值由Zo，Tpd（環(huán)路傳輸延遲）和終端負載電容值Cd決定。時間為常數(shù)，RC=3Tpd，其中R∥ZL=Zo，C=C1∥Cd。

（4）Thevenin端接法

圖6為Thevenin端接電路。該電路由上拉電阻R1和下拉電阻R2組成，這樣就使邏輯高和邏輯低與目標負載相符。其中，R1和R2的值由R1∥R2=Zo決定，R1+R2+ZL的值要保證最大電流不能超過驅(qū)動電路容量。

3 結(jié)語

本文通過對電子產(chǎn)品電磁環(huán)境的分析，確定高速DSP系統(tǒng)中產(chǎn)生干擾的主要原因，并針對這些原因，通過對高速DSP系統(tǒng)的多層板布局、器件布局以及PCB布線等方面進行分析，給出有效降低DSP系統(tǒng)的干擾、提高電磁兼容性能的措施。從設(shè)計層次保證了高速DSP系統(tǒng)的有效性和可靠性。合理布局設(shè)計，減少噪聲，降低干擾，避開不必要的失誤，對系統(tǒng)性能的發(fā)揮起到不可低估的作用。
責任編輯；zl