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    欣漢生:如何使PCB的EMC效果最優?

    瀏覽:     發表時間:2020-07-27 10:32:00

    在PCB 的 EMC 設計考慮中,首先涉及的便是層的設置;單板的層數由電源、地的層數和信號層數組成;在產品的 EMC 設計中,除了元器件的選擇和電路設計之外,良好的 PCB 設計也是一個非常重要的因素。PCB 的 EMC 設計的關鍵,是盡可能減小回流面積,讓回流路徑按照我們設計的方向流動。而層的設計是 PCB 的基礎,如何做好 PCB 層設計才能讓 PCB 的 EMC 效果最優呢?


     

    01

    PCB 層的設計思路

    PCB 疊層 EMC 規劃與設計思路的核心就是合理規劃信號回流路徑,盡可能減小信號從單板鏡像層的回流面積,使得磁通對消或最小化。

     

    1. 單板鏡像層

    鏡像層是 PCB 內部臨近信號層的一層完整的敷銅平面層(電源層、接地層)。主要有以下作用:

     降低回流噪聲:鏡像層可以為信號層回流提供低阻抗路徑,尤其在電源分布系統中有大電流流動時,鏡像層的作用更加明顯。 降低 EMI:鏡像層的存在減少了信號和回流形成的閉合環的面積,降低了 EMI; 降低串擾:有助于控制高速數字電路中信號走線之間的串擾問題,改變信號線距鏡像層的高度,就可以控制信號線間串擾,高度越小,串擾越小; 阻抗控制,防止信號反射。


    2. 鏡像層的選擇

    電源、地平面都能用作參考平面,且對內部走線有一定的屏蔽作用;相對而言,電源平面具有較高的特性阻抗,與參考電平存在較大的電勢差,同時電源平面上的高頻干擾相對比較大;從屏蔽的角度,地平面一般均作了接地的處理,并作為基準電平參考點,其屏蔽效果遠遠優于電源平面;選擇參考平面時,應優選地平面,次選電源平面

    02

    磁通對消原理

    根據麥克斯韋方程,分立的帶電體或電流,它們之間的一切電及磁作用都是通過它們之間的中間區域傳遞的,不論中間區域是真空還是實體物質。在 PCB 中磁通總是在傳輸線中傳播的,如果射頻回流路徑平行靠近其相應的信號路徑,則回流路徑上的磁通與信號路徑上的磁通是方向相反的,這時它們相互疊加,則得到了通量對消的效果。

    03

    磁通對消的本質

    磁通對消的本質就是信號回流路徑的控制,具體示意圖如下:

     

    04

    右手定則解釋磁通對消效果

    如何用右手定則來解釋信號層與地層相鄰時磁通對消效果,解釋如下:

    (1)當導線上有電流流過時,導線周圍便會產生磁場,磁場的方向以右手定則來確定。

    (2)當有兩條彼此靠近且平行的導線,如下圖所示,其中一個導體的電流向外流出,另一個導體的電流向內流入,如果流過這兩根導線的電流分別是信號電流和它的回流電流,那么這兩個電流是大小相等方向相反的,所以它們的磁場也是大小相等,而方向是相反的,因此能相互抵消。

     

    05

    六層板設計實例

    對于六層板,優先考慮方案 3

    分析:

    (1)由于信號層與回流參考平面相鄰,S1、S2、S3 相鄰地平面,有最佳的磁通抵消效果,優選布線層 S2,其次 S3、S1。

    (2)電源平面與 GND 平面相鄰,平面間距離很小,有最佳的磁通抵消效果和低的電源平面阻抗。

    (3)主電源及其對應的地布在 4、5 層,層厚設置時,增大 S2-P 之間的間距,縮小 P-G2 之間的間(相應縮小 G1-S2 層之間的間距),以減小電源平面的阻抗,減少電源對 S2 的影響。

     

    對于六層板,備選方案 4

     

    分析:對于局部、少量信號要求較高的場合,方案 4 比方案 3 更適合,它能提供極佳的布線層 S2。最差 EMC 效果,方案 2

     

    分析:此種結構,S1 和 S2 相鄰,S3 與 S4 相鄰,同時 S3 與 S4 不與地平面相鄰,磁通抵消效果差。

     

    06

    總結

    PCB 層設計具體原則: 元件面、焊接面下面為完整的地平面(屏蔽);盡量避免兩信號層直接相鄰; 所有信號層盡可能與地平面相鄰; 

    高頻、高速、時鐘等關鍵信號布線層要有一相鄰地平面。


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