基於PCB的EMC設計方式
發布時間:2020-01-21 責任編輯:lina
【導讀】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。
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,是盡可能減小回流麵積,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?
1PCB 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麵積,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麵層(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,尤其在電源分布係統中有大電流流動時,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的麵積,降低了 EMI;
(3)降低串擾:有助於控製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,就可以控製信號線間串擾,高度越小,串擾越小;
(4)阻抗控製,防止信號反射。
2、鏡像層的選擇
(1)電源、地平麵都能用作參考平麵,且對內部走線有一定的屏蔽作用;
(2)相對而言,電源平麵具有較高的特性阻抗,與參考電平存在較大的電勢差,同時電源平麵上的高頻幹擾相對比較大;
(3)從屏蔽的角度,地平麵一般均作了接地的處理,並作為基準電平參考點,其屏蔽效果遠遠優於電源平麵;
(4)選擇參考平麵時,應優選地平麵,次選電源平麵。
2 磁通對消原理:
根(gen)據(ju)麥(mai)克(ke)斯(si)韋(wei)方(fang)程(cheng),分(fen)立(li)的(de)帶(dai)電(dian)體(ti)或(huo)電(dian)流(liu),它(ta)們(men)之(zhi)間(jian)的(de)一(yi)切(qie)電(dian)的(de)及(ji)磁(ci)的(de)作(zuo)用(yong)都(dou)是(shi)通(tong)過(guo)它(ta)們(men)之(zhi)間(jian)的(de)中(zhong)間(jian)區(qu)域(yu)傳(chuan)遞(di)的(de),不(bu)論(lun)中(zhong)間(jian)區(qu)域(yu)是(shi)真(zhen)空(kong)還(hai)是(shi)實(shi)體(ti)物(wu)質(zhi)。在(zai) PCB 中(zhong)磁(ci)通(tong)總(zong)是(shi)在(zai)傳(chuan)輸(shu)線(xian)中(zhong)傳(chuan)播(bo)的(de),如(ru)果(guo)射(she)頻(pin)回(hui)流(liu)路(lu)徑(jing)平(ping)行(xing)靠(kao)近(jin)其(qi)相(xiang)應(ying)的(de)信(xin)號(hao)路(lu)徑(jing),則(ze)回(hui)流(liu)路(lu)徑(jing)上(shang)的(de)磁(ci)通(tong)與(yu)信(xin)號(hao)路(lu)徑(jing)上(shang)的(de)磁(ci)通(tong)是(shi)方(fang)向(xiang)相(xiang)反(fan)的(de),這(zhe)時(shi)它(ta)們(men)相(xiang)互(hu)疊(die)加(jia),則(ze)得(de)到(dao)了(le)通(tong)量(liang)對(dui)消(xiao)的(de)效(xiao)果(guo)。
3 磁通對消的本質就是信號回流路徑的控製,具體示意圖如下:

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)dangyouliangtiaobicikaojinqiepingxingdedaoxian,ruxiatusuoshi,qizhongyigedaotidedianliuxiangwailiuchu,lingyigedaotidedianliuxiangneiliuru,ruguoliuguozhelianggendaoxiandedianliufenbieshixinhaodianliuhetadehuiliudianliu,namezhelianggedianliushidaxiaoxiangdengfangxiangxiangfande,suoyitamendecichangyeshidaxiaoxiangdeng,erfangxiangshixiangfande,yincinengxianghudixiao。

5 六層板設計實例

1、對於六層板,優先考慮方案 3;

分析:
(1)由於信號層與回流參考平麵相鄰,S1、S2、S3 相鄰地平麵,有最佳的磁通抵消效果,優選布線層 S2,其次 S3、S1。
(2)電源平麵與 GND 平麵相鄰,平麵間距離很小,有最佳的磁通抵消效果和低的電源平麵阻抗。
(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),以減小電源平麵的阻抗,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)此種結構,由於信號層與回流參考平麵相鄰,S1 和 S2 緊鄰地平麵,有最佳的磁通抵消效果;
(2)電源平麵由於要經過 S3 和 S2 到 GND 平麵,差的磁通抵消效果和高的電源平麵阻抗;
(3)優選布線層 S1、S2,其次 S3、S4。
3、對於六層板,備選方案 4

分析:
對於局部、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

分析:
此種結構,S1 和 S2 相鄰,S3 與 S4 相鄰,同時 S3 與 S4 不與地平麵相鄰,磁通抵消效果差。
6 總結
PCB 層設計具體原則:
(1)元件麵、焊接麵下麵為完整的地平麵(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麵相鄰;
(4)高頻、高速、時鍾等關鍵信號布線層要有一相鄰地平麵。
希望通過此文的簡單介紹,能幫助大家加深對 PCB 層設計的理解,提前做好 PCB 的優化設計,一勞永逸。
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