PCB多层板 : 磁通对消法有效控制EMC

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在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?

PCB层的设计思路:

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。

1、单板镜像层

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:

  • 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。
  • 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;
  • 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;
  • 阻抗控制,防止信号反射。

2、镜像层的选择

  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 选择参考平面时,应优选地平面,次选电源平面。

磁通对消原理:

根据麦克斯韦方程,分立的带电体或电流,它们之间的一切电的及磁的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。

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:

  • 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。
  • 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。

1.1

1、对于六层板,优先考虑方案3;

1.2

分析:

  • 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。
  • 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。
  • 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。

2、在成本要求较高的时候,可采用方案1;

分析:

  • 此种结构,由于信号层与回流参考平面相邻,S1和S2紧邻地平面,有最佳的磁通抵消效果;
  • 电源平面由于要经过S3和S2到GND平面,差的磁通抵消效果和高的电源平面阻抗;
  • 优选布线层S1、S2,其次S3、S4。

3、对于六层板,备选方案4

1.3

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。

4、最差EMC效果,方案2

1.4

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。 

总结

PCB层设计具体原则:

  • 元件面、焊接面下面为完整的地平面(屏蔽);
  • 尽量避免两信号层直接相邻;
  • 所有信号层尽可能与地平面相邻;
  • 高频、高速、时钟等关键信号布线层要有一相邻地平面。

来源: 电子万花筒

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