曦华科技CVM01系列 MCU硬件设计指南：一般的电路板布局指南

时间： 2024-07-07 来源：曦华科技微信公众号

技术问答

本文介绍曦华科技 CVM01系列车规级MCU的硬件设计电路板布局应用指南。

1、布线建议当在电路板布线过程中出现直角弯曲或者锐角时，会出现反射，反射信号可能会干扰其它信号。且拐角区域的电容会增加，并导致特性阻抗发生变化。这种阻抗变化可能会引起信号反射、损耗、串扰等问题。因此，在布线时，应尽量避免直角和锐角弯曲，最好使用至少两个45°的角度来曲线进行布线。为了最大限度地减少任何阻抗变化，最佳的布线方式是采用一个圆弧拐角，如图1所示。这样可以确保信号在电路板上的传输平稳无误。

图1 布线的拐角示例

为了最大限度地减少信号间的串扰，不光在同一层的两个信号之间，还要在相邻层之间，线路要尽量以90°的方式去布线。

复杂的电路板在布线需要使用通孔是需要注意一下，因为这些通孔会增加额外的电容和电感，同时也会增加导线的长度，并且由于特性阻抗的变化会产生反射。当电路使用差分信号时，在两条线上最好都使用通孔，或者在另一条线上补偿延迟。

2、接地

接地技术适用于多层和单层PCB。接地技术的目的是尽量减小接地阻抗，从而降低从电路回到电源的接地回路的电位。

将高速信号传输到稳固且不破损的接地平面上。
不要把接地平面分成模拟、数字和电源引脚的独立平面。建议使用单一和连续的接地平面。
在靠近MCU引脚的任何区域都不应该有任何形式的浮动金属/区块。在信号平面的未使用区域填充铜，并通过通孔将这些铜连接到接地平面。

图2 消除浮动的金属/区块

3、布局上对EMI/EMC和ESD的考虑

这些考虑对于所有的系统和电路板设计都很重要。尽管背后的理论非常容易解释，但每个板子和系统都有其特有的设计方式。有很多PCB和元器件相关的因素也包括在内。

本应用说明没有深入研究电磁理论，也没有解释用不同的技术去对抗这种影响原因，但它考虑了应用于CMOS电路的影响和最推荐的解决方案。EMI是干扰电子设备运行的无线电能量。这种无线电能量可以由设备本身或附近的其他设备产生。研究系统的电磁兼容性，可以测试系统对抗来自周围设备和系统的电磁干扰的能力，电磁噪声或干扰通过两种媒介传播：传导和辐射。

图3 电磁噪声的传播

设计所需考虑如下：

电路板的辐射和传导EMI应该小于设计所遵循的标准允许的水平。
电路板成功运行所需的抵抗来自周围其他系统的辐射和传导电磁能量（EMC）的能力。

当电路在更高的频率和快速切换的电流和电压下，PCB线路成为辐射电磁能量的有效天线。比如，信号和相应的地线组成的大环路。

一个系统的EMI源由多个部件组成，如PCB、连接器、电缆等。

辐射的五个主要来源是：线路上传播的数字信号、电流回环区域、不充分的电源滤波或去耦、传输线效应以及缺乏电源和地平面。

快速开关时钟、外部总线和PWM信号被用作控制输出和开关电源中。电源是造成EMI的另一个主要因素。射频信号可以从电路板的一个部分辐射到另一个部分，形成EMI。开关电源会辐射能量，从而无法通过EMI测试。

一个好的EMI/EMC设计必须一开始布局时就要考虑到器件的位置, PCB叠层的构建, 重要连线布局、器件的选择等, 如果这些没有事前有较佳的安排, 事后解决则会事倍功半, 增加成本。

例如时钟部分的位置尽量不要靠近对外的连接器, 高速信号尽量走内层并注意特性阻抗匹配与参考层的连续以减少反射, 选择去耦合(decoupling/bypass)电容时注意其频率响应是否符合需求以降低电源层噪声。高频信号电流的回流路径使其回路面积尽量小（回路阻抗）以减少辐射。还可以用分割地层的方式以控制高频噪声的范围. 最后, 适当的选择PCB与外壳的接地点等方式去优化。

这是一个巨大的话题有许多书籍、文章和白皮书详细介绍了其背后的理论和设计标准，以消除其影响。

就EMI/EMC和ESD问题而言，每个电路板或系统都是不同的，需要有自己的解决方案。然而，减少不必要的电磁能量产生的通用准则如下：

确保电源的额定功率符合应用要求，并使用去耦电容进行优化。
在电源上提供足够的滤波电容。BULK/旁路和去耦电容应具有低等效串联电感（ESL）。
如果在布线层上有可用的空间，就创建地平面。用通孔将这些接地区域连接到地平面上。
保持电流回路尽可能小。尽可能多地添加去耦电容。始终应用电流回流规则以减少环路面积。
让高速信号远离其他信号，特别是远离输入和输出端口或连接器等。

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