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PCB設計如何做好晶振布局?

發布時間 :2022-11-10 17:11 閱讀 : 來源 :技術文章責任編輯 :深圳宏力捷PCB設計部
我們常把晶振比喻為數字電路的心臟,這是因為,數字電路的所有工作都離不開時鐘信號,晶振直接控制著整個系統,若晶振不運作那么整個系統也就癱瘓了,所以晶振是決定了數字電路開始工作的先決條件。在本文中,將同大家一同探討PCB設計如何做好晶振布局。
 
我們常說的晶振,是石英晶體振蕩器和石英晶體諧振器兩種,他們都是利用石英晶體的壓電效應制作而成。在石英晶體的兩個電極上施加電場會使晶體產生機械變形,反之,如果在晶體兩側施加機械壓力就會在晶體上產生電場。并且,這兩種現象是可逆的。利用這種特性,在晶體的兩側施加交變電壓,晶片就會產生機械振動,同時產生交變電場。這種震動和電場一般都很小,但是在某個特定頻率下,振幅會明顯加大,這就是壓電諧振,類似于我們常見到的LC回路諧振。

PCB設計如何做好晶振布局?
 
作為數字電路中的心臟,晶振在智能產品中是如何發揮作用的呢?以智能家居如空調、窗簾、安防、監控等產品來說,都需要無線傳輸模塊,它們通過藍牙、WIFI或ZIGBEE等協議,將模塊從一端發到另一端,或直接通過手機控制,而晶振就是無線模塊里的核心元件,影響著整系統的穩定性,所以選擇好系統使用的晶振,決定了數字電路的成敗。
 
PCB設計如何做好晶振布局?
 
由于晶振在數字電路中的重要性,在使用和設計的時候我們需要小心處理:
1、晶振內部存在石英晶體,受到外部撞擊或跌落時易造成石英晶體斷裂破損,進而造成晶振不起振,所以在設計電路時要考慮晶振的可靠安裝,其位置盡量不要靠近板邊、設備外殼等。
2、在手工焊接或機器焊接時,要注意焊接溫度。晶振對溫度比較敏感,焊接時溫度不能過高,并且加熱時間盡量短?
 
PCB設計合理的晶振布局可以抑制系統輻射干擾
一、問題描述
該產品為野外攝像機,內分核心控制板、sensor 板、攝像頭、SD 存儲卡和電池五部分組成,外殼為塑膠殼,小板僅有兩個接口:DC5V 外接電源接口和數據傳輸的USB 接口。經過輻射測試發現有33MHz 左右的諧波雜訊輻射問題。
 
原始測試數據如下:
 
PCB設計如何做好晶振布局?
 
二、分析問題
該產品外殼結構塑膠外殼,是非屏蔽材料,整機測試只有電源線和USB 線引出殼體,難道干擾頻點是由電源線和USB 線輻射出來的嗎?故分別作了一下幾步測試:
(1) 僅在電源線上加磁環,測試結果:改善不明顯;
(2) 僅在USB 線上加磁環,測試結果:改善仍然不明顯;
(3) 在USB 線和電源線都加磁環,測試結果:改善較明顯,干擾頻點整體有所下降。
 
從上可得,干擾頻點是從兩個接口帶出來的,并非是電源接口或USB 接口的問題,而是內部干擾頻點耦合到這兩個接口所導致的,僅屏蔽某一接口不能解決問題。
 
經過近場量測發現,干擾頻點來之于核心控制板的一個32.768KHz 的晶振,產生很強的空間輻射,使得周圍的走線和GND 都耦合了32.768KHz 諧波雜訊,再通過接口USB 線和電源線耦合輻射出來。而該晶振的問題在于以下兩點問題所導致的:
(1) 晶振距離板邊太近,易導致晶振輻射雜訊。
(2) 晶振下方有布信號線,,這易導致信號線耦合晶振的諧波雜訊。
(3) 濾波器件放在晶振下方,且濾波電容與匹配電阻未按照信號流向排布,使得濾波器件的濾波效果變差。
 
PCB設計如何做好晶振布局?
 
三、解決對策
根據分析得出以下對策:
(1)晶體的濾波電容與匹配電阻靠近CPU 芯片優先放置,遠離板邊;
(2)切記不能在晶體擺放區域和下方投影區內布地;
(3)晶體的濾波電容與匹配電阻按照信號流向排布,且靠近晶體擺放整齊緊湊;
(4)晶體靠近芯片處擺放,兩者間的走線盡量短而直。
 
可以參考如下圖布局方式:
 
PCB設計如何做好晶振布局?
 
經整改后,樣機測試結果如下:
 
PCB設計如何做好晶振布局?
 
四、結論
現今很多系統晶振現今很多系統晶振時鐘頻率高,干擾諧波能量強;干擾諧波除了從其輸入與輸出兩條走線傳導出來,還會從空間輻射出來,若布局不合理,容易造成很強的雜訊輻射問題,而且很難通過其他方法來解決,因此在PCB 板布局時對晶振和CLK 信號線布局非常重要。
 
晶振的PCB設計注意事項
(1) 耦合電容應盡量靠近晶振的電源引腳,位置擺放順序:按電源流入方向,依容值從大到小依次擺放,容值最小的電容最靠近電源引腳。
(2) 晶振的外殼必須接地,可以晶振的向外輻射,也可以屏蔽外來信號對晶振的干擾。
(3) 晶振下面不要布線,保證完全鋪地,同時在晶振的300mil范圍內不要布線,這樣可以防止晶振干擾其他布線、器件和層的性能。
(4) 時鐘信號的走線應盡量短,線寬大一些,在布線長度和遠離發熱源上尋找平衡。
(5) 晶振不要放置在PCB板的邊緣,在板卡設計時尤其注意該點。
 
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