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基于PCB的EMC設(shè)計方式

發(fā)布時間:2020-01-21 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在PCB 的 EMC 設(shè)計考慮中,首先涉及的便是層的設(shè)置;單板的層數(shù)由電源、地的層數(shù)和信號層數(shù)組成;在產(chǎn)品的 EMC 設(shè)計中,除了元器件的選擇和電路設(shè)計之外,良好的 PCB 設(shè)計也是一個非常重要的因素。
  
在PCB 的 EMC 設(shè)計考慮中,首先涉及的便是層的設(shè)置;單板的層數(shù)由電源、地的層數(shù)和信號層數(shù)組成;在產(chǎn)品的 EMC 設(shè)計中,除了元器件的選擇和電路設(shè)計之外,良好的 PCB 設(shè)計也是一個非常重要的因素。
 
PCB 的 EMC 設(shè)計的關(guān)鍵,是盡可能減小回流面積,讓回流路徑按照我們設(shè)計的方向流動。而層的設(shè)計是 PCB 的基礎(chǔ),如何做好 PCB 層設(shè)計才能讓 PCB 的 EMC 效果最優(yōu)呢?
 
1PCB 層的設(shè)計思路:
 
PCB 疊層 EMC 規(guī)劃與設(shè)計思路的核心就是合理規(guī)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(nèi)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:
(1)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(tǒng)中有大電流流動時,鏡像層的作用更加明顯。
(2)降低 EMI:鏡像層的存在減少了信號和回流形成的閉合環(huán)的面積,降低了 EMI;
(3)降低串擾:有助于控制高速數(shù)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;
(4)阻抗控制,防止信號反射。
 
2、鏡像層的選擇
(1)電源、地平面都能用作參考平面,且對內(nèi)部走線有一定的屏蔽作用;
(2)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;
(3)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(yōu)于電源平面;
(4)選擇參考平面時,應(yīng)優(yōu)選地平面,次選電源平面。
 
2 磁通對消原理:
 
根據(jù)麥克斯韋方程,分立的帶電體或電流,它們之間的一切電的及磁的作用都是通過它們之間的中間區(qū)域傳遞的,不論中間區(qū)域是真空還是實體物質(zhì)。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(yīng)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。
 
3 磁通對消的本質(zhì)就是信號回流路徑的控制,具體示意圖如下:
 
基于PCB的EMC設(shè)計方式
 
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(dǎo)線上有電流流過時,導(dǎo)線周圍便會產(chǎn)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(dǎo)線,如下圖所示,其中一個導(dǎo)體的電流向外流出,另一個導(dǎo)體的電流向內(nèi)流入,如果流過這兩根導(dǎo)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。
 
 基于PCB的EMC設(shè)計方式
 
5 六層板設(shè)計實例
 
 基于PCB的EMC設(shè)計方式
 
1、對于六層板,優(yōu)先考慮方案 3;
 
 基于PCB的EMC設(shè)計方式
 
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(yōu)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(yīng)的地布在 4、5 層,層厚設(shè)置時,增大 S2-P 之間的間距,縮小 P-G2 之間的間(相應(yīng)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。
 
2、在成本要求較高的時候,可采用方案 1;
 
分析:
 
(1)此種結(jié)構(gòu),由于信號層與回流參考平面相鄰,S1 和 S2 緊鄰地平面,有最佳的磁通抵消效果;
(2)電源平面由于要經(jīng)過 S3 和 S2 到 GND 平面,差的磁通抵消效果和高的電源平面阻抗;
(3)優(yōu)選布線層 S1、S2,其次 S3、S4。
 
3、對于六層板,備選方案 4
 
 基于PCB的EMC設(shè)計方式
 
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。
 
4、最差 EMC 效果,方案 2
 
 基于PCB的EMC設(shè)計方式
 
分析:
 
此種結(jié)構(gòu),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。
 
6 總結(jié)
 
PCB 層設(shè)計具體原則:
(1)元件面、焊接面下面為完整的地平面(屏蔽);
(2)盡量避免兩信號層直接相鄰;
(3)所有信號層盡可能與地平面相鄰;
(4)高頻、高速、時鐘等關(guān)鍵信號布線層要有一相鄰地平面。
 
 
希望通過此文的簡單介紹,能幫助大家加深對 PCB 層設(shè)計的理解,提前做好 PCB 的優(yōu)化設(shè)計,一勞永逸。
 
 
 
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