基于电磁兼容的高速无线节点PCB 设计与仿真

2012-12-22 05:59吴明赞

电子器件 2012年3期

吴超，吴明赞，李竹

(南京理工大学自动化学院，南京210094)

电子产品越来越趋向高速、宽带、高灵敏、高密集度和小型化，这种趋势导致了电磁兼容问题更加严重。高速数字电路PCB 是一个典型的代表，PCB的电磁兼容(EMC)问题［1］是目前高速PCB 设计中急待解决的技术难题。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 布局布线在电磁兼容性中也是非常重要的因素。本文针对基于DSP 的无线节点PCB 考虑电磁兼容性进行分析，分别对自动布线和根据电磁兼容设计原则手动布线后的PCB 板进行仿真比较分析。

1 无线节点原理介绍

本文设计的无线节点主要由微处理器模块、ZigBee 模块和GPRS 模块三部分组成。其原理框图如图1 所示。

微处理器模块选择TI 公司型号为TMS320F2812的DSP 芯片，ZigBee 模块选用CC2430，GPRS 模块选择MC55。其中CC2430 通信模块接受无线传感网络节点传输来的参数数据，MC55 主要实现数据的无线拨号GPRS 连接。DSP 主要协调控制各部分有效的工作。

图1 无线节点原理框图

2 基于电磁兼容的PCB 设计分析

2.1 PCB 电磁兼容分析

由于PCB 板上存在大量数字器件和模拟器件，这些器件工作时会引起电路板内电源电压的波动，导致信号的波形产生失真，从而引起误动作。电源在向电路系统供电时也会将噪声加到电路系统中［2］。传输线本身存在一定的电阻，当电源发生过压，欠压或者断电等故障时均能产生噪声干扰。

地线作为电位基准点的等电位点，同时也是信号的低阻抗回路。它的电位并不是恒定的，地线上最常见的干扰就是地环路干扰。由于地线的阻抗不为零，引起地线上各点形成电位差，从而导致电路误动作，形成地线干扰。而地线阻抗随着频率的升高而加大，这就是造成电磁干扰的主要因素。由于地线阻抗的存在，当大电流流过地线时，会产生很大的电位差，这就构成了地环路干扰。

高速PCB 设计过程中，串扰现象是非常普遍的，常见串扰有容性耦合串扰和感性耦合串扰，影响串扰信号幅度的因素主要有走线间的耦合长度、走线的间距和走线的端接。

2.2 PCB 电磁兼容设计

根据印制电路板电流的大小，应尽量加粗电源线和地线的宽度，减小环路电阻，同时使电源线地线的走向和数据传输方向一致，有助于增强抗噪声能力［3］。为了减小去耦电容供电回路面积和元件分布电感的影响，尽量选用贴片元件，缩短引脚长度。为电源引入端加上较大容量的电解电容做低频滤波，再并联一个容量较小的瓷片电容做高频滤波。

为了减小地环路干扰，可以采用光耦隔离器等切断地环路电流的形成或采用平衡电路消除环路电流。应减小公共地线部分的阻抗，加粗电线或对地线铺铜，另一方面可采用适当的接地方式避免相互干扰。为了消除数字器件对模拟器件的干扰，数字地和模拟地应该分开

容性耦合和感性耦合产生的串扰随着受干扰线路负载阻抗的增加而增加，所以减小负载可以减小耦合干扰的影响。在布线条件允许的情况下，尽量减小相邻传输线间的平行长度或增大可能发生容性耦合导线之间的距离，如采用3W 原则。相邻俩信号层走线应垂直尽量避免平行走线减小层间的串扰。通过端接，使传输线终端阻抗和传输线匹配，可以大大减小串扰和反射干扰。

2.3 PCB 布局布线原则

综合上述电磁兼容分析设计以及高速PCB 的特点，提出以下布局布线原则:

(1)尽量缩短高频元器件之间的连线，减小它们的分布参数和相互之间的电磁干扰;

(2)按照电路的流程安排各功能单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向;

(3)以每个功能模块的核心元件为中心，围绕它进行布局，尽量减小和缩短各元器件之间的引线和连接长度;

(4)综合考虑各元件之间的分布参数，尽可能使元器件平行排列，这样有利于增强抗干扰能力;

(5)对最敏感的和最容易产生影响的信号网络首先进行布线;

(6)使最可能发生发射或最敏感的信号网络走线尽量短;

(7)将最可能发生发射或敏感的信号网络布在最靠近地平面的位置;

(8)将数据总线和其他传输线相邻走线，并且将它们保持一定的距离，使串扰最小化;

(9)不要将任何走线布在它们的参考平面的分割处;

(10)多层板中，电源层和地层要放置在相邻的层中［4］。

3 仿真分析

3.1 无线节点PCB 自动布线的仿真分析

对布局后的无线节点PCB 进行自动布线，得到相应的PCB 图，将其导入到Hyperlynx 仿真软件中，得到如图2 所示的仿真文件。由于自动布线中未考虑电磁兼容性有关的布线原则，所以必然会出现电磁兼容性问题。这里以地址线信号XA［12］为例说明其由于未考虑电磁兼容性而产生的反射和串扰问题。

将自动布线生成的PCB 板进行Boardsim 仿真，首先设置层叠，然后选取受串扰影响的信号线XA［12］，分别对受攻击信号线和攻击信号线添加IBIS模型引脚，最后进行仿真得到图3 所示的反射仿真图和图4 所示的串扰仿真图。

由表1 可知，自动布线后信号线上的信号出现了较严重的反射和串扰问题，此时必须进行手动布线，按照电磁兼容布线原则，调整导致反射和串扰发生的有关参数，从而减小反射和串扰影响，增强PCB 板的电磁兼容性。

图2 自动布线生成的PCB 仿真文件

图3 自动布线反射仿真

图4 自动布线串扰仿真

表1 自动布线仿真数据

3.2 无线节点PCB 手动布线的仿真分析

为了减小因电磁兼容引起的反射和串扰对PCB 板上信号的影响，首先利用Linesim 对反射和串扰问题进行前仿真，根据电磁兼容PCB 布局布线原则手动调整各项参数直到满足系统要求，最后利用Boardsim 对调整后的信号线进行后仿真。LineSim 的仿真模型如图5 和图6 所示，仿真结果分别如图7、图8 和图9 所示。