詳解PCB多層板設(shè)計時的EMI的規(guī)避技巧

1、詳解pcb多層板設(shè)計時的emi的規(guī)避技巧 解決emi問題的方法無數(shù)，現(xiàn)代的emi抑制辦法包括：利用emi抑制涂層、選用合適的emi抑制零配件和emi設(shè)計等。本文從最基本的布板動身，研究pcb分層堆疊在控制emi輻射中的作用和設(shè)計技巧。 電源匯流排在ic的電源引腳附近合理地安置適當容量的，可使ic輸出的跳變來得更快。因為電容呈有限頻率響應(yīng)的特性，這使得電容無法在全頻帶上生成整潔地驅(qū)動ic輸出所需要的諧波功率。除此之外，電源匯流排上形成的瞬態(tài)電壓在去耦路徑的兩端會形成電壓降，這些瞬態(tài)電壓就是主要的共模emi干擾源。就板上的ic而言，ic周圍的電源層可以看成是優(yōu)良的高頻，它可以收集為整潔輸出提供高頻

2、能量的分立電容器所泄漏的那部份能量。此外，優(yōu)良的電源層的電感要小，從而電感所合成的瞬態(tài)信號也小，進而降低共模emi。電源層到ic電源引腳的連線必需盡可能短，由于數(shù)位信號的升高沿越來越快，最好是挺直連到ic電源引腳所在的焊盤上。為了控制共模emi，電源層要有助于去耦和具有足夠低的電感，這個電源層必需是一個設(shè)計相當好的電源層的配對。那么，什么樣的程度才算好？答案取決于電源的分層、層間的材料以及工作頻率(即ic升高時光的函數(shù))。通常，電源分層的間距是6mil，夾層是fr4材料，則每平方英寸電源層的等效電容約為75pf。明顯，層間距越小電容越大。根據(jù)目前ic的進展速度，升高時光在100到300ps范圍

3、的器件將占有很高的比例。對于100到300ps升高時光的電路，3mil層間距對大多數(shù)應(yīng)用將不再適用。那時，有須要采納層間距小于1mil的分層技術(shù)，并用介電常數(shù)很高的材料代替fr4介電材料?，F(xiàn)在，陶瓷和加陶塑料可以滿足100到300ps升高時光電路的設(shè)計要求。對于今日頻繁的1到3ns升高時光電路、3到6mil層間距和fr4介電材料，通常能夠處理高端諧波并使瞬態(tài)信號足夠低，也就是說，共模emi可以降得很低。本文給出的pcb分層堆疊設(shè)計實例將假定層間距為3到6mil。電磁屏蔽從信號走線來看，好的分層策略應(yīng)當是把全部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。對于電源，好的分層策略應(yīng)當是電

4、源層與接地層相鄰，且電源層與接地層的距離盡可能小。pcb堆疊什麼樣的堆疊策略有助于屏蔽和抑制emi？以下分層堆疊計劃假定電源在單一層上流淌，單電壓或多電壓分布在同一層的不同部份。4層板4層板設(shè)計存在若干潛在問題。首先，傳統(tǒng)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(nèi)層，電源層與接地層的間距仍然過大。假如成本要求是第一位的，可以考慮以下兩種傳統(tǒng)4層板的替代計劃。這兩個計劃都能充實emi抑制的性能，但只適用于板上元件密度足夠低和元件周圍有足夠面積(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，中間兩層均為信號/電源層。信號層上的電源用寬線走線，這可使電源

5、電流的路徑阻抗低，且信號微帶路徑的阻抗也低。從emi控制的角度看，這是現(xiàn)有的最佳4層pcb結(jié)構(gòu)。其次種計劃的外層走電源和地，中間兩層走信號。該計劃相對傳統(tǒng)4層板來說，改進要小一些，層間阻抗和傳統(tǒng)的4層板一樣欠佳。假如要控制走線阻抗，上述堆疊計劃都要十分當心地將走線布置在電源和接地鋪銅島的下邊。另外，電源或地層上的鋪銅島之間應(yīng)盡可能地互連在一起，以確保dc和低頻的銜接性。6層板假如4層板上的元件密度比較大，則最好采納6層板。但是，6層板設(shè)計中某些疊層計劃對電磁場的屏蔽作用不夠好，對電源匯流排瞬態(tài)信號的降低作用甚微。下面研究兩個實例：第一例將電源和地分離放在第2和第5層，因為電源覆銅阻抗高，對控制

6、共模emi輻射十分不利。不過，從信號的阻抗控制觀點來看，這一辦法卻是十分正確的。其次例將電源和地分離放在第3和第4層，這一設(shè)計解決了電源覆銅阻抗問題，因為第1層和第6層的電磁屏蔽性能差，差模emi增強了。假如兩個外層上的信號線數(shù)量最少，走線長度很短(短于信號最高諧波波長的1/20)，則這種設(shè)計可以解決差模emi問題。將外層上的無元件和無走線區(qū)域鋪銅填充并將覆銅區(qū)接地(每1/20波長為間隔)，則對差模emi的抑制特殊好。如前所述，要將鋪銅區(qū)與內(nèi)部接地層多點相聯(lián)。通用高性能6層板設(shè)計普通將第1和第6層布為地層，第3和第4層走電源和地。因為在電源層和接地層之間是兩層居中的雙微帶信號線層，因而emi抑

7、制能力是優(yōu)異的。該設(shè)計的缺點在于走線層惟獨兩層。前面介紹過，假如外層走線短且在無走線區(qū)域鋪銅，則用傳統(tǒng)的6層板也可以實現(xiàn)相同的堆疊。另一種6層板布局為信號、地、信號、電源、地、信號，這可實現(xiàn)高級信號完整性設(shè)計所需要的環(huán)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。這通常會給加工創(chuàng)造帶來棘手。解決問題的方法是將第3層全部的空白區(qū)域填銅，填銅後假如第3層的覆銅密度臨近于電源層或接地層，這塊板可以不嚴格地算作是結(jié)構(gòu)平衡的電路板。填銅區(qū)必需接電源或接地。銜接過孔之間的距離仍然是1/20波長，不見得到處都要銜接，但抱負狀況下應(yīng)當銜接。10層板因為多層板之間的絕緣隔離層十分薄

8、，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，徹低可望得到優(yōu)異的信號完整性。要按62mil厚度加工創(chuàng)造12層板，困難比較多，能夠加工12層板的創(chuàng)造商也不多。因為信號層和回路層之間總是隔有絕緣層，在10層板設(shè)計中分配中間6層來走信號線的計劃并非最佳。另外，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。這一設(shè)計為信號電流及其回路電流提供了良好的通路。恰當?shù)牟季€策略是，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

9、層是最後一對分層組合。當需要轉(zhuǎn)變走線方向時，第1層上的信號線應(yīng)藉由“過孔到第3層以後再轉(zhuǎn)變方向。事實上，大概并不總能這樣做，但作為設(shè)計概念還是要盡量遵守。同樣，當信號的走線方向變幻時，應(yīng)當藉由過孔從第8層和第10層或從第4層到第7層。這樣布線可確保信號的前向通路和回路之間的耦合最緊。例如，假如信號在第1層上走線，回路在第2層且只在第2層上走線，那麼第1層上的信號即使是藉由“過孔轉(zhuǎn)到了第3層上，其回路仍在第2層，從而保持低電感、大電容的特性以及良好的電磁屏蔽性能。假如實際走線不是這樣，怎麼辦？比如第1層上的信號線經(jīng)由過孔到第10層，這時回路信號只好從第9層尋覓接地平面，回路電流要找到最近的接地過

10、孔 (如或電容等元件的接地引腳)。假如碰巧附近存在這樣的過孔，則真的走運。如果沒有這樣近的過孔可用，電感就會變大，電容要減小，emi一定會增強。當信號線必需經(jīng)由過孔離開現(xiàn)在的一對布線層到其他布線層時，應(yīng)就近在過孔旁放置接地過孔，這樣可以使回路信號順當返回恰當?shù)慕拥貙?。對于?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)返回，由于電源層和接地層之間的電容耦合良好，信號簡單傳輸。多電源層的設(shè)計假如同一電壓源的兩個電源層需要輸出大電流，則電路板應(yīng)布成兩組電源層和接地層。在這種狀況下，每對電源層和接地層之間都放置了絕緣層。這樣就得到我們期望的等分電流的兩對阻抗相等的電源匯流排。假如電源層的堆疊造成阻抗不相等，則分流就不勻稱，瞬態(tài)電壓將大得多，并且emi會急劇增強。假如電路板上存在多個數(shù)值不同的電源電壓，則相應(yīng)地需要多個電源層，要銘記為不同的電源創(chuàng)建各自配對的電源層和接地層。在上述兩種狀況下，確定配對電源層和接地層在電路板的位置時，切記創(chuàng)造商對平衡結(jié)構(gòu)的要求?？偨Y(jié)電路板設(shè)計中厚度、過孔制程