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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? 1 W& r3 v. s- P) A
01PCB层的设计思路" l5 d' e( B9 E% M; ?7 E7 M
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。
8 o: f- y% }1 f/ Y8 X j单板镜像层 8 c/ ?6 W2 N7 {" \
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:
! `8 m0 k8 `$ F9 G(1)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。
* z { n1 S9 l(2)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;
1 Q' F+ Q' v& h- m% E: C) l: A: [(3)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;
. x8 x' P: e) L& Y6 c6 X8 G(4)阻抗控制,防止信号反射。 # D# F( }. N) \5 `
镜像层的选择
8 a1 z# p2 A8 u+ ^(1)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;
/ D& Y; n, o3 O( {9 I(2)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; 1 \$ d, u9 G$ v0 Q6 v! y* l% M* s' @5 u
(3)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; + ~9 @- L+ x1 D' J
(4)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
9 }. O8 t) E' I# Q$ x3 M% r+ Y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
: Z( T* J, C+ t! T& {! U3 \/ ^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:
" p8 P- d( y! M" O04右手定则解释磁通对消效果- t* e+ z+ W( x& Z8 N. ?2 H: C
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: / a* Q; [& v3 M
(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。
1 d$ O" N8 N! h F0 E, |# a/ [4 V(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。
7 Q* I+ _7 ~9 Q) P6 l
: j& ?4 v8 n3 }6 I4 T8 }' m% S. A05六层板设计实例/ n9 v" H2 H) R
0 m% ?- j+ g: w% J- l( V对于六层板,优先考虑方案3 分析:
, X+ [8 L/ t8 b2 j(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。 1 U% Y; u; C; e2 ?" K7 M8 m0 _
(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。 & D! |$ G" |" y. N' e$ I6 o$ {$ z
(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。 % m( b- Y+ L9 z- ?2 e1 v+ O
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。
3 @! Q C! Q8 E' j6 Q( m Y& b0 ^06总结
X$ W7 G/ E4 |. Q7 j# K _PCB层设计具体原则: (1)元件面、焊接面下面为完整的地平面(屏蔽); (2)尽量避免两信号层直接相邻; (3)所有信号层尽可能与地平面相邻; (4)高频、高速、时钟等关键信号布线层要有一相邻地平面。 & ?5 x5 C8 ?4 y! F% S' d
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