PCB設計要考慮的模擬布局中的不同類型的屏蔽

2021-02-23

電路板可能會受到傳入電磁干擾（EMI）的影響，并且還會影響其他具有傳出EMI的電子設備。有許多解決方案來阻止干擾，包括使用金屬屏蔽層或罐頭。關鍵是要在模擬布局中使用這些不同類型的屏蔽，首先要從良好的PCB布局策略開始。 

非屏蔽電子產品可能導致的問題

許多類型的干擾都會影響電子設備的性能。這些包括地面反彈，串擾和電源噪聲。不過，最大的擔憂是電磁干擾。EMI會對電子設備的正常運行產生毀滅性影響，其結果既昂貴又危險。在醫療領域，電子設備（例如監護儀，除顫器和呼吸機）的故障可能會造成嚴重后果，這就是一個例子。 

如果未正確控制EMI，以下是電子設備可能遇到的一些問題：

通訊中斷。

對無線設備的干擾。

來自傳感器的數據損壞。

電子元件故障。

軟件錯誤或故障。

EMI的危害是雙重的：電子器件可能會受到傳入EMI的損害，或者電路板會產生輸出EMI，從而損壞其他電子器件。為了限制潛在的問題，有不同的標準來控制EMI輻射可接受和不可接受的范圍。例如，IEC 60601設定了醫療設備的標準，而CISPR 12和CISPR 25分別涵蓋了車輛外部和內部來源的干擾。

印刷電路板中最常見的EMI來源是板內部的，并且是由其布局問題引起的。如果不加以糾正，則由這些問題產生的EMI可能會破壞電路板的運行，直至最終導致故障。為避免這種情況，重要的是首先在電路板布局中使用良好的PCB設計技術，我們將在下面討論。

模擬組件之間的短直接路由。

模擬屏蔽始于良好的PCB設計

增強電子產品的抗EMI能力是電路板總體設計的一部分。以下是防止EMI時應考慮的PCB布局的四個主要領域：

板層堆疊

如何在PCB疊層中配置這些層是控制EMI必不可少的第一步。雖然減少層數以減少制造成本似乎很有吸引力，但該策略可能會損壞板的信號完整性。高速信號，靈敏的模擬網絡和嘈雜的電源電路都需要彼此隔離，并且可能需要在堆棧中添加其他層。為接地層提供足夠的層以屏蔽這些信號層免于發射或受到EMI的侵害也很重要。

元件放置

元件的放置方式也將極大地影響電路板屏蔽EMI問題的方式。以下是一些需要牢記的一般準則：

將模擬電路與數字電路分開。

將模擬組件緊密放置在一起，以縮短走線長度。

提供足夠的旁路電容器以確保干凈的供電網絡。

在您的設計中包括低通濾波。

為確保您的設計符合EMC要求，務必根據功能對PCB組件進行分組。您不希望數字電路流過電路板的模擬部分，除了那些將兩者直接連接在一起的信號。

電源和地平面

板層堆疊中的金屬平面提供了很多屏蔽，在帶狀線配置中，在兩個接地平面層之間的層上路由敏感信號是一種很好的做法。此外，以下是設計飛機時要記住的其他一些準則：

對于模擬和數字接地，請使用單獨的平面，以使其噪聲分開。

在不流經模擬電路區域的平面中提供清晰的數字信號返回路徑。

請小心分離平面，切口或平面上的孔，以免EMI穿過并為清晰的信號返回路徑造成障礙。

避免使用分割平面，但是如果有必要，請確保分割僅在一點處相互連接。分離平面之間的多個連接點會產生環路，從而導致天線輻射EMI。

跟蹤路由

有了良好的組件放置，您將已經具備最佳跟蹤布線的必要基礎。但是，遵循這些布線指南以最小化EMI仍然很重要：

保持模擬信號和數字信號彼此分離，并將敏感信號與其他路由隔離。

保持模擬路由簡短，并確保信號在其參考平面上具有清晰的返回路徑。

如果您沒有足夠的空間容納更寬的間隔，請使用保護走線來防止兩條并行模擬走線之間的串擾。如果需要，保護走線還可以幫助屏蔽模擬走線和數字走線。

使用過孔在電路的各個功能分區之間形成屏蔽邊界或柵欄。通孔圍欄既有效又易于安裝，但要權衡的是它們會占用電路板上的大量空間。

現在，我們已經研究了一些有助于屏蔽的PCB設計準則，下面讓我們看一下在電路板上使用金屬屏蔽的方法。

電路板的模擬區域，用屏蔽層保護。

模擬布局中不同類型的屏蔽的注意事項

為了進一步屏蔽電路板免受EMI的影響，可以添加金屬屏蔽層或罐頭。目的是在板的關鍵區域中包含一個覆蓋所有四個側面和頂部的屏蔽層，同時將其焊接到組件下方的接地層，從而形成法拉第籠。在理想世界中，屏蔽層將完全封閉以阻止所有排放。然而，實際上，屏蔽層中需要有開口，用于調節，熱冷卻，接縫和電路板的焊點。

在電路板上使用屏蔽時，另一個要考慮的問題是，通常在自動PCB組裝后，通過人工焊接將它們連接到板上。這花費時間并且增加了板的制造費用。它還增加了調試和測試的復雜性，以及返工PCB時的難度。但是，金屬屏蔽確實可以大大提高對EMI的保護程度，并且通常是電路板的要求。PCB屏蔽可由鍍錫軋鋼，鍍錫銅，不銹鋼和其他材料制成。