如何利用PCB分层堆叠控制EMI辐射(一)

处理EMI问题的办法很多,现代的EMI按捺办法包括:利用EMI按捺涂层、选用合适的EMI按捺零配件和EMI仿真规划等。本文从最基本的PCB布板出发,评论PCB分层堆叠在操控EMI辐射中的效果和规划技巧。

电源汇流排

在IC的电源引脚邻近合理地安顿适当容量的电容,可使IC输出电压的跳变来得更快。可是,问题并非到此为止。由於电容呈有限频率响应的特性,这使得电容无法在全频带上生成洁净地驱动IC输出所需求的谐波功率。除此之外,电源汇流排上构成的瞬态电压在去耦路径的电感两头会构成电压降,这些瞬态电压就是主要的共模EMI搅扰源。咱们应该怎样处理这些问题?

就咱们电路板上的IC而言,IC周围的电源层能够看成是优秀的高频电容器,它能够搜集为洁净输出提供高频能量的分立电容器所走漏的那部份能量。此外,优秀的电源层的电感要小,然后电感所合成的瞬态信号也小,然后下降共模EMI。当然,电源层到IC电源引脚的连线有必要尽或许短,因为数位信号的上升沿越来越快,最好是直接连到IC电源引脚所在的焊盘上,这要别的评论。为了操控共模EMI,电源层要有助於去耦和具有满足低的电感,这个电源层有必要是一个规划相当好的电源层的配对。有人或许会问,好到什么程度才算好?问题的答案取决於电源的分层、层间的资料以及工作频率(即IC上升时间的函数)。一般,电源分层的间隔是6mil,夹层是FR4资料,则每平方英寸电源层的等效电容约为75pF。

明显,层间隔越小电容越大。上升时间为100到300ps的器材并不多,可是依照现在IC的发展速度,上升时间在100到300ps范围的器材将占有很高的比例。对於100到300ps上升时间的电路,3mil层间隔对大多数使用将不再适用。那时,有必要选用层间隔小於1mil的分层技能,并用介电常数很高的资料代替FR4介电资料。现在,陶瓷和加陶塑料能够满意100到300ps上升时间电路的规划要求。虽然未来或许会选用新资料和新办法,但对於今日常见的1到3ns上升时间电路、3到6mil层间隔和FR4介电资料,一般满足处理高端谐波并使瞬态信号满足低,就是说,共模EMI能够降得很低。本文给出的PCB分层堆叠规划实例将假定层间隔为3到6mil。

电磁屏蔽从信号走线来看,好的分层战略应该是把一切的信号走线放在一层或若干层,这些层紧挨著电源层或接地层。对於电源,好的分层战略应该是电源层与接地层相邻,且电源层与接地层的间隔尽或许小,这就是咱们所讲的“分层"战略。

PCB堆叠什么样的堆叠战略有助於屏蔽和按捺EMI?以下分层堆叠计划假定电源电流在单一层上活动,单电压或多电压散布在同一层的不同部份。多电源层的情形稍后评论。

4层板

4层板规划存在若干潜在问题。首先,传统的厚度为62mil的四层板,即使信号层在外层,电源和接地层在内层,电源层与接地层的间隔依然过大。

假设本钱要求是第一位的,能够考虑以下两种传统4层板的代替计划。这两个计划都能改善EMI按捺的功能,但只适用於板上元件密度满足低和元件周围有满足面积(放置所要求的电源覆铜层)的场合。第一种为首选计划,PCB的外层均为地层,中心两层均为信号/电源层。信号层上的电源用宽线走线,这可使电源电流的路径阻抗低,且信号微带路径的阻抗也低。从EMI操控的视点看,这是现有的最佳4层PCB结构。第二种计划的外层走电源和地,中心两层走信号。该计划相对传统4层板来说,改进要小一些,层间阻抗和传统的4层板相同欠佳。假设要操控走线阻抗,上述堆叠计划都要十分小心肠将走线布置在电源和接地铺铜岛的下边。别的,电源或地层上的铺铜岛之间应尽或许地互连在一起,以确保DC和低频的衔接性。

6层板

假设4层板上的元件密度比较大,则最好选用6层板。可是,6层板规划中某些叠层计划对电磁场的屏蔽效果不够好,对电源汇流排瞬态信号的下降效果甚微。下面评论两个实例。

第一例将电源和地分别放在第2和第5层,由於电源覆铜阻抗高,对操控共模EMI辐射十分晦气。不过,从信号的阻抗操控观念来看,这一办法却是十分正确的。第二例将电源和地分别放在第3和第4层,这一规划处理了电源覆铜阻抗问题,由於第1层和第6层的电磁屏蔽功能差,差模EMI添加了。假设两个外层上的信号线数量最少,走线长度很短(短於信号最高谐波波长的1/20),则这种规划能够处理差模EMI问题。将外层上的无元件和无走线区域铺铜填充并将覆铜区接地(每1/20波长为间隔),则对差模EMI的按捺特别好。如前所述,要将铺铜区与内部接地层多点相联。通用高功能6层板规划一般将第1和第6层布为地层,第3和第4层走电源和地。由於在电源层和接地层之间是两层居中的双微带信号线层,因此EMI按捺能力是优异的。该规划的缺点在於走线层只有两层。前面介绍过,假设外层走线短且在无走线区域铺铜,则用传统的6层板也能够完成相同的堆叠。另一种6层板布局为信号、地、信号、电源、地、信号,这可完成高档信号完整性规划所需求的环境。信号层与接地层相邻,电源层和接地层配对。明显,不足之处是层的堆叠不平衡。这一般会给加工制作带来费事。处理问题的办法是将第3层一切的空白区域填铜,填铜后假设第3层的覆铜密度接近於电源层或接地层,这块板能够不严格地算作是结构平衡的电路板。填铜区有必要接电源或接地。衔接过孔之间的间隔依然是1/20波长,不见得处处都要衔接,但抱负情况下应该衔接。

 

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