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欣汉生:如何使PCB的EMC效果最优?

浏览:27     发表时间:2020-07-27 10:32:00

在PCB 的 EMC 设计考虑中,首先涉及的便是层的设置;单板的层数由电源、地的层数和信号层数组成;在产品的 EMC 设计中,除了元器件的选择和电路设计之外,良好的 PCB 设计也是一个非常重要的因素。PCB 的 EMC 设计的关键,是尽可能减小回流面积,让回流路径按照我们设计的方向流动。而层的设计是 PCB 的基础,如何做好 PCB 层设计才能让 PCB 的 EMC 效果最优呢?


 

01

PCB 层的设计思路

PCB 叠层 EMC 规划与设计思路的核心就是合理规划信号回流路径,尽可能减小信号从单板镜像层的回流面积,使得磁通对消或最小化。

 

1. 单板镜像层

镜像层是 PCB 内部临近信号层的一层完整的敷铜平面层(电源层、接地层)。主要有以下作用:

 降低回流噪声:镜像层可以为信号层回流提供低阻抗路径,尤其在电源分布系统中有大电流流动时,镜像层的作用更加明显。 降低 EMI:镜像层的存在减少了信号和回流形成的闭合环的面积,降低了 EMI; 降低串扰:有助于控制高速数字电路中信号走线之间的串扰问题,改变信号线距镜像层的高度,就可以控制信号线间串扰,高度越小,串扰越小; 阻抗控制,防止信号反射。


2. 镜像层的选择

电源、地平面都能用作参考平面,且对内部走线有一定的屏蔽作用;相对而言,电源平面具有较高的特性阻抗,与参考电平存在较大的电势差,同时电源平面上的高频干扰相对比较大;从屏蔽的角度,地平面一般均作了接地的处理,并作为基准电平参考点,其屏蔽效果远远优于电源平面;选择参考平面时,应优选地平面,次选电源平面

02

磁通对消原理

根据麦克斯韦方程,分立的带电体或电流,它们之间的一切电及磁作用都是通过它们之间的中间区域传递的,不论中间区域是真空还是实体物质。在 PCB 中磁通总是在传输线中传播的,如果射频回流路径平行靠近其相应的信号路径,则回流路径上的磁通与信号路径上的磁通是方向相反的,这时它们相互叠加,则得到了通量对消的效果。

03

磁通对消的本质

磁通对消的本质就是信号回流路径的控制,具体示意图如下:

 

04

右手定则解释磁通对消效果

如何用右手定则来解释信号层与地层相邻时磁通对消效果,解释如下:

(1)当导线上有电流流过时,导线周围便会产生磁场,磁场的方向以右手定则来确定。

(2)当有两条彼此靠近且平行的导线,如下图所示,其中一个导体的电流向外流出,另一个导体的电流向内流入,如果流过这两根导线的电流分别是信号电流和它的回流电流,那么这两个电流是大小相等方向相反的,所以它们的磁场也是大小相等,而方向是相反的,因此能相互抵消。

 

05

六层板设计实例

对于六层板,优先考虑方案 3

分析:

(1)由于信号层与回流参考平面相邻,S1、S2、S3 相邻地平面,有最佳的磁通抵消效果,优选布线层 S2,其次 S3、S1。

(2)电源平面与 GND 平面相邻,平面间距离很小,有最佳的磁通抵消效果和低的电源平面阻抗。

(3)主电源及其对应的地布在 4、5 层,层厚设置时,增大 S2-P 之间的间距,缩小 P-G2 之间的间(相应缩小 G1-S2 层之间的间距),以减小电源平面的阻抗,减少电源对 S2 的影响。

 

对于六层板,备选方案 4

 

分析:对于局部、少量信号要求较高的场合,方案 4 比方案 3 更适合,它能提供极佳的布线层 S2。最差 EMC 效果,方案 2

 

分析:此种结构,S1 和 S2 相邻,S3 与 S4 相邻,同时 S3 与 S4 不与地平面相邻,磁通抵消效果差。

 

06

总结

PCB 层设计具体原则: 元件面、焊接面下面为完整的地平面(屏蔽);尽量避免两信号层直接相邻; 所有信号层尽可能与地平面相邻; 

高频、高速、时钟等关键信号布线层要有一相邻地平面。


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