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如何进行晶振PCB设计

2020年01月13日 14:40 次阅读

我们常把晶振比喻为数字电路的心脏,这是因为,数字电路的所有工作都离不开时钟信号,晶振直接控制着整个系统,若晶振不运作那么整个系统也就瘫痪了,所以晶振是决定了数字电路开始工作的先决条件。

我们常说的晶振,是石英晶体振荡器和石英晶体谐振器两种,他们都是利用石英晶体的压电效应制作而成。在石英晶体的两个电极上施加电场会使晶体产生机械变形,反之,如果在晶体两侧施加机械压力就会在晶体上产生电场。并且,这两种现象是可逆的。利用这种特性,在晶体的两侧施加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时产生交变电场。这种震动和电场一般都很小,但是在某个特定频率下,振幅会明显加大,这就是压电谐振,类似于我们常见到的LC回路谐振。

如何进行晶振PCB设计

作为数字电路中的心脏,晶振在智能产品中是如何发挥作用的呢?以智能家居如空调、窗帘、安防、监控等产品来说,都需要无线传输模块,它们通过蓝牙、WIFI或ZIGBEE等协议,将模块从一端发到另一端,或直接通过手机控制,而晶振就是无线模块里的核心元件,影响着整系统的稳定性,所以选择好系统使用的晶振,决定了数字电路的成败。

如何进行晶振PCB设计

由于晶振在数字电路中的重要性,在使用和设计的时候我们需要小心处理:

1、晶振内部存在石英晶体,受到外部撞击或跌落时易造成石英晶体断裂破损,进而造成晶振不起振,所以在设计电路时要考虑晶振的可靠安装,其位置尽量不要靠近板边、设备外壳等。

2、在手工焊接或机器焊接时,要注意焊接温度。晶振对温度比较敏感,焊接时温度不能过高,并且加热时间尽量短?

合理的晶振布局可以抑制系统辐射干扰

一、问题描述

该产品为野外摄像机,内分核心控制板、sensor 板、摄像头、SD 存储卡和电池五部分组成,外壳为塑胶壳,小板仅有两个接口:DC5V 外接电源接口和数据传输的USB 接口。经过辐射测试发现有33MHz 左右的谐波杂讯辐射问题。

原始测试数据如下:

如何进行晶振PCB设计

二、分析问题

该产品外壳结构塑胶外壳,是非屏蔽材料,整机测试只有电源线和USB 线引出壳体,难道干扰频点是由电源线和USB 线辐射出来的吗?故分别作了一下几步测试:

( 1 ) 仅在电源线上加磁环,测试结果:改善不明显;

( 2 ) 仅在USB 线上加磁环,测试结果:改善仍然不明显;

( 3 ) 在USB 线和电源线都加磁环,测试结果:改善较明显,干扰频点整体有所下降。

从上可得,干扰频点是从两个接口带出来的,并非是电源接口或USB 接口的问题,而是内部干扰频点耦合到这两个接口所导致的,仅屏蔽某一接口不能解决问题。

经过近场量测发现,干扰频点来之于核心控制板的一个32.768KHz 的晶振,产生很强的空间辐射,使得周围的走线和GND 都耦合了32.768KHz 谐波杂讯,再通过接口USB 线和电源线耦合辐射出来。而该晶振的问题在于以下两点问题所导致的:

( 1 ) 晶振距离板边太近,易导致晶振辐射杂讯。

( 2 ) 晶振下方有布信号线,,这易导致信号线耦合晶振的谐波杂讯。

( 3 ) 滤波器件放在晶振下方,且滤波电容与匹配电阻未按照信号流向排布,使得滤波器件的滤波效果变差。

如何进行晶振PCB设计

三、解决对策

根据分析得出以下对策:

(1)晶体的滤波电容与匹配电阻靠近CPU 芯片优先放置,远离板边;

(2)切记不能在晶体摆放区域和下方投影区内布地;

(3)晶体的滤波电容与匹配电阻按照信号流向排布,且靠近晶体摆放整齐紧凑;

(4)晶体靠近芯片处摆放,两者间的走线尽量短而直。

可以参考如下图布局方式:

如何进行晶振PCB设计

经整改后,样机测试结果如下:

如何进行晶振PCB设计

四、结论

现今很多系统晶振现今很多系统晶振时钟频率高,干扰谐波能量强;干扰谐波除了从其输入与输出两条走线传导出来,还会从空间辐射出来,若布局不合理,容易造成很强的杂讯辐射问题,而且很难通过其他方法来解决,因此在PCB 板布局时对晶振和CLK 信号线布局非常重要。

晶振的PCB设计注意事项

(1) 耦合电容应尽量靠近晶振的电源引脚,位置摆放顺序:按电源流入方向,依容值从大到小依次摆放,容值最小的电容最靠近电源引脚。

(2) 晶振的外壳必须接地,可以晶振的向外辐射,也可以屏蔽外来信号对晶振的干扰。

(3) 晶振下面不要布线,保证完全铺地,同时在晶振的300mil范围内不要布线,这样可以防止晶振干扰其他布线、器件和层的性能。

(4) 时钟信号的走线应尽量短,线宽大一些,在布线长度和远离发热源上寻找平衡。

(5) 晶振不要放置在PCB板的边缘,在板卡设计时尤其注意该点。
责任编辑;zl

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