從工藝部件電路布局信號(hào)線布局等來探討集成電路在EMC電磁兼容方面的設(shè)計(jì)問題
混合集成電路(Hybrid Integrated Circuit)是由半導(dǎo)體集成工藝與厚(薄)膜工藝結(jié)合而制成的集成電路?；旌霞呻娐肥窃诨嫌贸赡し椒ㄖ谱骱衲せ虮∧ぴ捌浠ミB線,并在同一基片上將分立的半導(dǎo)體芯片、單片集成電路或微型元件混合組裝,再外加封裝而成。具有組裝密度大、可靠性高、電性能好等特點(diǎn)。
隨著電路板尺寸變小、布線密度加大以及工作頻率的不斷提高,電路中的電磁干擾現(xiàn)象也越來越突出,電磁兼容問題也就成為一個(gè)電子系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。電路板的電磁兼容設(shè)計(jì)成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
1、電磁兼容原理
電磁兼容是指電子設(shè)備和電源在一定的電磁干擾環(huán)境下正?？煽抗ぷ鞯哪芰?同時(shí)也是電子設(shè)備和電源限制自身產(chǎn)生電磁干擾和避免干擾周圍其它電子設(shè)備的能力。
任何一個(gè)電磁干擾的發(fā)生必須具備三個(gè)基本條件:首先要具備干擾源,也就是產(chǎn)生有害電磁場(chǎng)的裝置或設(shè)備;其次是要具有傳播干擾的途徑,通常認(rèn)為有兩種方式:傳導(dǎo)耦合方式和輻射耦合方式,第三是要有易受干擾的敏感設(shè)備。因此,解決電磁兼容性問題應(yīng)針對(duì)電磁干擾的三要素,逐一進(jìn)行解決:減小干擾發(fā)生元件的干擾強(qiáng)度;切斷干擾的傳播途徑;降低系統(tǒng)對(duì)干擾的敏感程度。
混合集成電路設(shè)計(jì)中存在的電磁干擾有:傳導(dǎo)干擾、串音干擾以及輻射干擾。在解決EMI問題時(shí),首先應(yīng)確定發(fā)射源的耦合途徑是傳導(dǎo)的、輻射的,還是串音。如果一個(gè)高幅度的瞬變電流或快速上升的電壓出現(xiàn)在靠近載有信號(hào)的導(dǎo)體附近,電磁干擾的問題主要是串音。如果干擾源和敏感器件之間有完整的電路連接,則是傳導(dǎo)干擾。而在兩根傳輸高頻信號(hào)的平行導(dǎo)線之間則會(huì)產(chǎn)生輻射干擾。
2、電磁兼容設(shè)計(jì)
在混合集成電路電磁兼容性設(shè)計(jì)時(shí)首先要做功能性檢驗(yàn),在方案已確定的電路中檢驗(yàn)電磁兼容性指標(biāo)能否滿足要求,若不滿足就要修改參數(shù)來達(dá)到指標(biāo),如發(fā)射功率、工作頻率、重新選擇器件等。其次是做防護(hù)性設(shè)計(jì),包括濾波、屏蔽、接地與搭接設(shè)計(jì)等。第三是做布局的調(diào)整性設(shè)計(jì),包括總體布局的檢驗(yàn),元器件及導(dǎo)線的布局檢驗(yàn)等。通常,電路的電磁兼容性設(shè)計(jì)包括:工藝和部件的選擇、電路布局及導(dǎo)線的布設(shè)等。
3.1、工藝和部件的選取
混合集成電路有三種制造工藝可供選擇,單層薄膜、多層厚膜和多層共燒厚膜。薄膜工藝能夠生產(chǎn)高密度混合電路所需的小尺寸、低功率和高電流密度的元器件,具有高質(zhì)量、穩(wěn)定、可靠和靈活的特點(diǎn),適合于高速高頻和高封裝密度的電路中。但只能做單層布線且成本較高。多層厚膜工藝能夠以較低的成本制造多層互連電路, 從電磁兼容的角度來說,多層布線可以減小線路板的電磁輻射并提高線路板的抗干擾能力。因?yàn)榭梢栽O(shè)置專門的電源層和地層,使信號(hào)與地線之間的距離僅為層間距離。這樣,板上所有信號(hào)的回路面積就可以降至最小,從而有效減小差模輻射。
其中多層共燒厚膜工藝具有更多的優(yōu)點(diǎn),是目前無(wú)源集成的主流技術(shù)。它可以實(shí)現(xiàn)更多層的布線,易于內(nèi)埋元器件,提高組裝密度,具有良好的高頻特性和高速傳輸特性。此外,與薄膜技術(shù)具有良好的兼容性,二者結(jié)合可實(shí)現(xiàn)更高組裝密度和更好性能的混合多層電路。
混合電路中的有源器件一般選用裸芯片,沒有裸芯片時(shí)可選用相應(yīng)的封裝好的芯片,為得到最好的EMC特性,盡量選用表貼式芯片。選擇芯片時(shí)在滿足產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的前提下,盡量選用低速時(shí)鐘。在HC能用時(shí)絕不使用 AC,CMOS4000 能行就不用HC。電容應(yīng)具有低的等效串聯(lián)電阻,這樣可以避免對(duì)信號(hào)造成大的衰減。
混合電路的封裝可采用可伐金屬的底座和殼蓋,平行縫焊,具有很好的屏蔽作用。
3.2、電路的布局
在進(jìn)行混合微電路的布局劃分時(shí),首先要考慮三個(gè)主要因素:輸入/輸出引腳的個(gè)數(shù),器件密度和功耗。一個(gè)實(shí)用的規(guī)則是片狀元件所占面積為基片的20%,每平方英寸耗散功率不大于2W。
在器件布置方面,原則上應(yīng)將相互有關(guān)的器件盡量靠近,將數(shù)字電路、模擬電路及電源電路分別放置,將高頻電路與低頻電路分開。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應(yīng)盡量遠(yuǎn)離邏輯電路。對(duì)時(shí)鐘電路和高頻電路等主要干擾和輻射源應(yīng)單獨(dú)安排,遠(yuǎn)離敏感電路。輸入輸出芯片要位于接近混合電路封裝的I/O出口處。
高頻元器件盡可能縮短連線,以減少分布參數(shù)和相互間的電磁干擾,易受干擾元器件不能相互離得太近,輸入輸出盡量遠(yuǎn)離。震蕩器盡可能靠近使用時(shí)鐘芯片的位置,并遠(yuǎn)離信號(hào)接口和低電平信號(hào)芯片。元器件要與基片的一邊平行或垂直,盡可能使元器件平行排列,這樣不僅會(huì)減小元器件之間的分布參數(shù),也符合混合電路的制造工藝,易于生產(chǎn)。
在混合電路基片上電源和接地的引出焊盤應(yīng)對(duì)稱布置,最好均勻地分布許多電源和接地的I/O連接。裸芯片的貼裝區(qū)連接到最負(fù)的電位平面。
在選用多層混合電路時(shí),電路板的層間安排隨著具體電路改變,但一般具有以下特征：
(1)電源和地層分配在內(nèi)層,可視為屏蔽層,可以很好地抑制電路板上固有的共模RF干擾,減小高頻電源的分布阻抗。
(2)板內(nèi)電源平面和地平面盡量相互鄰近,一般地平面在電源平面之上,這樣可以利用層間電容作為電源的平滑電容,同時(shí)接地平面對(duì)電源平面分布的輻射電流起到屏蔽作用。
(3)布線層應(yīng)盡量安排與電源或地平面相鄰以產(chǎn)生通量對(duì)消作用。
3.3、導(dǎo)線的布局
在電路設(shè)計(jì)中,往往只注重提高布線密度,或追求布局均勻,忽視了線路布局對(duì)預(yù)防干擾的影響,使大量的信號(hào)輻射到空間形成干擾,可能會(huì)導(dǎo)致更多的電磁兼容問題。因此,良好的布線是決定設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。
3.3.1地線的布局
地線不僅是電路工作的電位參考點(diǎn),還可以作為信號(hào)的低阻抗回路。地線上較常見的干擾就是地環(huán)路電流導(dǎo)致的地環(huán)路干擾。解決好這一類干擾問題,就等于解決了大部分的電磁兼容問題。地線上的噪音主要對(duì)數(shù)字電路的地電平造成影響,而數(shù)字電路輸出低電平時(shí),對(duì)地線的噪聲更為敏感。地線上的干擾不僅可能引起電路的誤動(dòng)作,還會(huì)造成傳導(dǎo)和輻射發(fā)射。因此,減小這些干擾的重點(diǎn)就在于盡可能地減小地線的阻抗(對(duì)于數(shù)字電路,減小地線電感尤為重要)。
地線的布局要注意以下幾點(diǎn):
(1)根據(jù)不同的電源電壓,數(shù)字電路和模擬電路分別設(shè)置地線。
(2)公共地線盡可能加粗。在采用多層厚膜工藝時(shí),可專門設(shè)置地線面,這樣有助于減小環(huán)路面積,同時(shí)也降低了接受天線的效率。并且可作為信號(hào)線的屏蔽體。
(3)應(yīng)避免梳狀地線,這種結(jié)構(gòu)使信號(hào)回流環(huán)路很大,會(huì)增加輻射和敏感度,并且芯片之間的公共阻抗也可能造成電路的誤操作。
(4)板上裝有多個(gè)芯片時(shí),地線上會(huì)出現(xiàn)較大的電位差,應(yīng)把地線設(shè)計(jì)成封閉環(huán)路,提高電路的噪聲容限。
(5)同時(shí)具有模擬和數(shù)字功能的電路板,模擬地和數(shù)字地通常是分離的,只在電源處連接。
3.3.2、電源線的布局
一般而言,除直接由電磁輻射引起的干擾外,經(jīng)由電源線引起的電磁干擾最為常見。因此電源線的布局也很重要,通常應(yīng)遵守以下規(guī)則：
(1)電源線盡可能靠近地線以減小供電環(huán)路面積,差模輻射小,有助于減小電路交擾。不同電源的供電環(huán)路不要相互重疊。
(2)采用多層工藝時(shí),模擬電源和數(shù)字電源分開,避免相互干擾。不要把數(shù)字電源與模擬電源重疊放置,否則就會(huì)產(chǎn)生耦合電容,破壞分離度。
(3)電源平面與地平面可采用完全介質(zhì)隔離,頻率和速度很高時(shí),應(yīng)選用低介電常數(shù)的介質(zhì)漿料。電源平面應(yīng)靠近接地平面,并安排在接地平面之下,對(duì)電源平面分布的輻射電流起到屏蔽作用。
(4)芯片的電源引腳和地線引腳之間應(yīng)進(jìn)行去耦。去耦電容采用0.01uF的片式電容,應(yīng)貼近芯片安裝,使去耦電容的回路面積盡可能減小。
(5)選用貼片式芯片時(shí),盡量選用電源引腳與地引腳靠得較近的芯片,可以進(jìn)一步減小去耦電容的供電回路面積,有利于實(shí)現(xiàn)電磁兼容。
3.3.3、信號(hào)線的布局
在使用單層薄膜工藝時(shí),一個(gè)簡(jiǎn)便適用的方法是先布好地線,然后將關(guān)鍵信號(hào),如高速時(shí)鐘信號(hào)或敏感電路靠近它們的地回路布置,最后對(duì)其它電路布線。信號(hào)線的布置最好根據(jù)信號(hào)的流向順序安排,使電路板上的信號(hào)走向流暢。
如果要把EMI減到最小,就讓信號(hào)線盡量靠近與它構(gòu)成的回流信號(hào)線,使回路面積盡可能小,以免發(fā)生輻射干擾。低電平信號(hào)通道不能靠近高電平信號(hào)通道和無(wú)濾波的電源線,對(duì)噪聲敏感的布線不要與大電流、高速開關(guān)線平行。如果可能,把所有關(guān)鍵走線都布置成帶狀線。不相容的信號(hào)線(數(shù)字與模擬、高速與低速、大電流與小電流、高電壓與低電壓等)應(yīng)相互遠(yuǎn)離,不要平行走線。信號(hào)間的串?dāng)_對(duì)相鄰平行走線的長(zhǎng)度和走線間距極其敏感,所以盡量使高速信號(hào)線與其它平行信號(hào)線間距拉大且平行長(zhǎng)度縮小。
導(dǎo)帶的電感與其長(zhǎng)度和長(zhǎng)度的對(duì)數(shù)成正比,與其寬度的對(duì)數(shù)成反比。因此,導(dǎo)帶要盡可能短,同一元件的各條地址線或數(shù)據(jù)線盡可能保持長(zhǎng)度一致,作為電路輸入輸出的導(dǎo)線盡量避免相鄰平行,最好在之間加接地線,可有效抑制串?dāng)_。低速信號(hào)的布線密度可以相對(duì)大些,高速信號(hào)的布線密度應(yīng)盡量小。
在多層厚膜工藝中,除了遵守單層布線的規(guī)則外還應(yīng)注意:
盡量設(shè)計(jì)單獨(dú)的地線面,信號(hào)層安排與地層相鄰。不能使用時(shí),必須在高頻或敏感電路的鄰近設(shè)置一根地線。分布在不同層上的信號(hào)線走向應(yīng)相互垂直,這樣可以減少線間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合干擾;同一層上的信號(hào)線保持一定間距,最好用相應(yīng)地線回路隔離,減少線間信號(hào)串?dāng)_。每一條高速信號(hào)線要限制在同一層上。信號(hào)線不要離基片邊緣太近,否則會(huì)引起特征阻抗變化,而且容易產(chǎn)生邊緣場(chǎng),增加向外的輻射。
3.3.4、時(shí)鐘線路的布局
時(shí)鐘電路在數(shù)字電路中占有重要地位,同時(shí)又是產(chǎn)生電磁輻射的主要來源。一個(gè)具有2ns上升沿的時(shí)鐘信號(hào)輻射能量的頻譜可達(dá)160MHz。因此設(shè)計(jì)好時(shí)鐘電路是保證達(dá)到整個(gè)電路電磁兼容的關(guān)鍵。
關(guān)于時(shí)鐘電路的布局,有以下注意事項(xiàng):
(1)不要采用菊花鏈結(jié)構(gòu)傳送時(shí)鐘信號(hào),而應(yīng)采用星型結(jié)構(gòu),即所有的時(shí)鐘負(fù)載直接與時(shí)鐘功率驅(qū)動(dòng)器相互連接。
(2)所有連接晶振輸入/輸出端的導(dǎo)帶盡量短,以減少噪聲干擾及分布電容對(duì)晶振的影響。
(3)晶振電容地線應(yīng)使用盡量寬而短的導(dǎo)帶連接至器件上;離晶振最近的數(shù)字地引腳,應(yīng)盡量減少過孔。
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