多层板如何分层?PCB如何设计才能发挥EMC最优效果?

凡亿PCB 2021-09-23 09:00
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?
01
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。

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:

(1)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。

(2)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;

(3)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;

(4)阻抗控制,防止信号反射。

镜像层的选择

(1)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;

(2)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;

(3)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;

(4)选择参考平面时,应优选地平面,次选电源平面
02
磁通对消原理

根据麦克斯韦方程,分立的带电体或电流,它们之间的一切电及磁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。
03
磁通对消的本质

磁通对消的本质就是信号回流路径的控制,具体示意图如下:
04
右手定则解释磁通对消效果

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:

(1)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。

(2)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。
05
六层板设计实例

对于六层板,优先考虑方案3

分析:

(1)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。

(2)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。

(3)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。

对于六层板,备选方案4

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。

最差EMC效果,方案2

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。
06
总结

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

来自:玩转嵌入式

—— The End ——

本文编辑转载,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。版权归原作者所有,如涉及作品内容、版权和其它问题,请在30日内与本公众号联系微信(kunyi346416,我们将在第一时间删除内容!

技术文章如何正确地理解电源纹波、噪声及其测试?
【技术文章】60天教学,教你如何成为优秀工程师《60天STM32单片机开发实战线上特训班》第6期10月27日重磅招生!
【干货合集】收藏 | PCB生产工艺流程大合集
干货资料】104条PCB设计技巧问答|画板无忧!
【技术干货】PADS学这个就够?无模命令整理大全
●【资料分享】计划招生200名学员,免费学高速PCB


觉得内容不错的话,点个在看呗

凡亿PCB 分享高速PCB设计、硬件设计、信号仿真、天线射频技术,提供技术交流、资料下载、综合提升电子应用开发能力!创立“凡亿教育”,致力做电子工程师的梦工厂,旨在赋能大学生、初中级电子工程师,倾力打造电子设计精品教育,逐步发展成系统
评论 (0)
热门推荐
X
广告
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦