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    1. 昆山緯亞電子科技有限公司

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      如何解決多層PCB設計時的EMI問題

       處理EMI問題的辦法許多,現代的EMI按捺辦法包含:利用EMI按捺涂層、選用合適的EMI按捺零配件和EMI仿真規劃等。本文從最基本的PCB布板出發,評論PCB分層堆疊在操控EMI輻射中的效果和規劃技巧。

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        電源匯流排

       

        在IC的電源引腳附近合理地安頓適當容量的電容,可使IC輸出電壓的跳變來得更快??墒?,問題并非到此為止。由于電容呈有限頻率響應的特性,這使得電容無法 在全頻帶上生成潔凈地驅動IC輸出所需求的諧波功率。除此之外,電源匯流排上構成的瞬態電壓在去耦途徑的電感兩頭會構成電壓降,這些瞬態電壓就是首要的共 模EMI干擾源。咱們應該怎樣處理這些問題?

       

        就咱們電路板上的IC而言,IC周圍的電源層可以看成是優秀的高頻電容器,它可以收集為潔凈輸出供給高頻能量的分立電容器所泄漏的那部份能量。此外,優秀的電源層的電感要小,然后電感所合成的瞬態信號也小,進而下降共模EMI。

       

        當然,電源層到IC電源引腳的連線有必要盡可能短,由于數位信號的上升沿越來越快,最好是直接連到IC電源引腳地點的焊盤上,這要別的評論。

       

        為了操控共模EMI,電源層要有助于去耦和具有滿足低的電感,這個電源層有必要是一個規劃相當好的電源層的配對。有人可能會問,好到什么程度才算好?問題的答 案取決于電源的分層、層間的資料以及工作頻率(即IC上升時間的函數)。通常,電源分層的距離是6mil,夾層是FR4資料,則每平方英寸電源層的等效電 容約為75pF。明顯,層距離越小電容越大。

       

        上升時間為100到300ps的器材并不多,可是按照目前IC的發展速度,上升 時間在100到300ps規模的器材將占有很高的比例。關于100到300ps上升時間的電路,3mil層距離對大多數應用將不再適用。那時,有必要采用 層距離小于1mil的分層技術,并用介電常數很高的資料代替FR4介電資料?,F在,陶瓷和加陶塑料可以滿足100到300ps上升時間電路的規劃要求。

       

        雖然未來可能會采用新資料和新辦法,但關于今日常見的1到3ns上升時間電路、3到6mil層距離和FR4介電資料,通常滿足處理高端諧波并使瞬態信號滿足低,就是說,共模EMI可以降得很低。本文給出的PCB分層堆疊規劃實例將假定層距離為3到6mil。

       

        電磁屏蔽

       

        從信號走線來看,好的分層戰略應該是把一切的信號走線放在一層或若干層,這些層緊挨著電源層或接地層。關于電源,好的分層戰略應該是電源層與接地層相鄰,且電源層與接地層的距離盡可能小,這就是咱們所講的“分層"戰略。

       

        PCB堆疊

       

        什么樣的堆疊戰略有助于屏蔽和按捺EMI?以下分層堆疊計劃假定電源電流在單一層上流動,單電壓或多電壓分布在同一層的不同部份。多電源層的情形稍后評論。

       

        4層板

       

        4層板規劃存在若干潛在問題。首要,傳統的厚度為62mil的四層板,即使信號層在外層,電源和接地層在內層,電源層與接地層的距離依然過大。

       

        假設本錢要求是第一位的,可以考慮以下兩種傳統4層板的代替計劃。這兩個計劃都能改善EMI按捺的功能,但只適用于板上元件密度滿足低和元件周圍有滿足面積(放置所要求的電源覆銅層)的場合。

       

        第一種為首選計劃,PCB的外層均為地層,中心兩層均為信號/電源層。信號層上的電源用寬線走線,這可使電源電流的途徑阻抗低,且信號微帶途徑的阻抗也低。從EMI操控的角度看,這是現有的最佳4層PCB結構。第二種計劃的外層走電源和地,中心兩層走信號。該計劃相對傳統4層板來說,改進要小一些,層間阻抗和傳統的4層板一樣欠佳。

       

        假設要操控走線阻抗,上述堆疊計劃都要十分小心地將走線安置在電源和接地鋪銅島的下邊。別的,電源或地層上的鋪銅島之間應盡可能地互連在一起,以保證DC和低頻的銜接性。

       

             6層板

       

        假設4層板上的元件密度比較大,則最好采用6層板??墒?,6層板規劃中某些疊層計劃對電磁場的屏蔽效果不夠好,對電源匯流排瞬態信號的下降效果甚微。下面評論兩個實例。

       

        第一例將電源和地別離放在第2和第5層,由于電源覆銅阻抗高,對操控共模EMI輻射十分不利。不過,從信號的阻抗操控觀念來看,這一辦法卻是十分正確的。

       

        第二例將電源和地別離放在第3和第4層,這一規劃處理了電源覆銅阻抗問題,由于第1層和第6層的電磁屏蔽功能差,差模EMI增加了。假設兩個外層上的信號線 數量最少,走線長度很短(短于信號最高諧波波長的1/20),則這種規劃可以處理差模EMI問題。將外層上的無元件和無走線區域鋪銅填充并將覆銅區接地 (每1/20波長為距離),則對差模EMI的按捺特別好。如前所述,要將鋪銅區與內部接地層多點相聯。

       

        通用高功能6層板規劃 一般將第1和第6層布為地層,第3和第4層走電源和地。由于在電源層和接地層之間是兩層居中的雙微帶信號線層,因此EMI按捺才干是優異的。該規劃的缺點 在于走線層只要兩層。前面介紹過,假設外層走線短且在無走線區域鋪銅,則用傳統的6層板也可以完成相同的堆疊。

       

        另一種6層板布局為信號、地、信號、電源、地、信號,這可完成高檔信號完整性規劃所需求的環境。信號層與接地層相鄰,電源層和接地層配對。明顯,不足之處是層的堆疊不平衡。

       

        這通常會給加工制作帶來費事。處理問題的辦法是將第3層一切的空白區域填銅,填銅后假設第3層的覆銅密度接近于電源層或接地層,這塊板可以不嚴格地算作是結 構平衡的電路板。填銅區有必要接電源或接地。銜接過孔之間的距離依然是1/20波長,不見得處處都要銜接,但理想情況下應該銜接。

       

        10層板

       

        由于多層板之間的絕緣隔離層十分薄,所以10或12層的電路板層與層之間的阻抗十分低,只要分層和堆疊不出問題,徹底可望得到優異的信號完整性。要按62mil厚度加工制作12層板,困難比較多,可以加工12層板的制作商也不多。

       

        由于信號層和回路層之間總是隔有絕緣層,在10層板規劃中分配中心6層來走信號線的計劃并非最佳。別的,讓信號層與回路層相鄰很重要,即板布局為信號、地、信號、信號、電源、地、信號、信號、地、信號。

       

        這一規劃為信號電流及其回路電流供給了杰出的通路。恰當的布線戰略是,第1層沿X方向走線,第3層沿Y方向走線,第4層沿X方向走線,以此類推。直觀地看走 線,第1層1和第3層是一對分層組合,第4層和第7層是一對分層組合,第8層和第10層是最后一對分層組合。當需求改變走線方向時,第1層上的信號線應藉 由”過孔"到第3層今后再改變方向。實際上,或許并不總能這樣做,但作為規劃概念還是要盡量遵守。

       

        相同,當信號的走線方向變化時,應該藉由過孔從第8層和第10層或從第4層到第7層。這樣布線可保證信號的前向通路和回路之間的耦合最緊。例如,假設信號在第1層上走線,回路在第2層且只在第2層上走線,那么第1層上的信號即使是藉由“過孔”轉到了第3層上,其回路仍在第2層,然后保持低電感、大電容的特性以及杰出的電磁屏蔽功能。

       

        假設實際走線不是這樣,怎樣辦?比方第1層上的信號線經由過孔到第10層,這時回路信號只好從第9層尋找接地平面,回路電流要找到最近的接地過孔(如電阻或電容等元件的接地引腳)。假設可巧附近存在這樣的過孔,則真的走運。假設沒有這樣近的過孔可用,電感就會變大,電容要減小,EMI一定會增加。

       

        當信號線有必要經由過孔脫離現在的一對布線層到其他布線層時,應就近在過孔旁放置接地過孔,這樣可以使回路信號順暢回來恰當的接地層。關于第4層和第7層分層組合,信號回路將從電源層或接地層(即第5層或第6層)回來,由于電源層和接地層之間的電容耦合杰出,信號簡單傳輸。

       

        多電源層的規劃

       

        假設同一電壓源的兩個電源層需求輸出大電流,則電路板應布成兩組電源層和接地層。在這種情況下,每對電源層和接地層之間都放置了絕緣層。這樣就得到咱們期望 的等分電流的兩對阻抗持平的電源匯流排。假設電源層的堆疊形成阻抗不持平,則分流就不均勻,瞬態電壓將大得多,而且EMI會急劇增加。

       

        假設電路板上存在多個數值不同的電源電壓,則相應地需求多個電源層,要牢記為不同的電源創立各自配對的電源層和接地層。在上述兩種情況下,確定配對電源層和接地層在電路板的位置時,牢記制作商對平衡結構的要求。

       

        總結

       

        鑒于大多數工程師規劃的電路板是厚度62mil、不帶盲孔或埋孔的傳統印制電路板,本文關于電路板分層和堆疊的評論都局限于此。厚度不同太大的電路板,本文推薦的分層計劃可能不理想。此外,帶盲孔或埋孔的電路板的加工制程不同,本文的分層辦法也不適用。

       

        電路板規劃中厚度、過孔制程和電路板的層數不是處理問題的關鍵,優秀的分層堆疊是保證電源匯流排的旁路和去耦、使電源層或接地層上的瞬態電壓最小并將信號和 電源的電磁場屏蔽起來的關鍵。理想情況下,信號走線層與其回路接地層之間應該有一個絕緣隔離層,配對的層距離(或一對以上)應該越小越好。依據這些基本概 念和原則,才干規劃出總能到達規劃要求的電路板?,F在,IC的上升時間現已很短并將更短,本文評論的技術對處理EMI屏蔽問題是必不可少的。

       
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