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測試測量

多層PCB板設(shè)計(jì)的電磁兼容(EMC)考量(一)

星之球激光 來源:電子工程網(wǎng)2013-03-05 我要評論(0 )   

摘 要:隨著現(xiàn)代 電子技術(shù) 的發(fā)展以及芯片的高速化和集成化,各種電子設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)外的電磁環(huán)境更加復(fù)雜,因此在印制電路板的電路設(shè)計(jì)階段考慮電磁兼容性( EMC ) 設(shè)計(jì)是...

摘要

        隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展以及芯片的高速化和集成化,各種電子設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)外的電磁環(huán)境更加復(fù)雜,因此在印制電路板的電路設(shè)計(jì)階段考慮電磁兼容性( EMC) 設(shè)計(jì)是非常重要的。 以12層板為例討論了多層PCB分層方法、布線的規(guī)則、地線和電源線布置以及電磁兼容性。

  電磁兼容(Electro - Magnetic Compatibility,簡稱EMC)是一門新興綜合性學(xué)科,它主要研究電磁干擾和抗干擾問題。 電磁兼容性是指電子設(shè)備或系統(tǒng)在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下,不因電磁干擾而降低性能指標(biāo),同時(shí)它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于限定的極限電平,不影響其它系統(tǒng)的正常運(yùn)行,并達(dá)到設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互不干擾、共同可靠工作的目的。 電磁干擾( EM I)產(chǎn)生是由于電磁干擾源通過耦合路徑將能量傳遞給敏感系統(tǒng)造成的,它包括由導(dǎo)線和公共地線的傳導(dǎo)、通過空間輻射或近場耦合3種基本形式。 實(shí)踐證明,即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確,印制電路板設(shè)計(jì)不當(dāng),也會(huì)對電子設(shè)備的可靠性產(chǎn)生不利影響,所以保證印制電路板電磁兼容性是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,本文主要討論電磁兼容技術(shù)及其在多層印制線路板( Printed Circuit Board,簡稱PCB)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

  PCB是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件,它提供電路元件和器件之間的電氣連接,是各種電子設(shè)備最基本的組成部分。 如今,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路已在電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用,而且元器件在印刷電路板上的安裝密度越來越高,信號的傳輸速度更是越來越快, 由此而引發(fā)的EMC問題也變得越來越突出。 PCB 有單面板(單層板) 、雙面板(雙層板)和多層板之分。 單面板和雙面板一般用于低、中密度布線的電路和集成度較低的電路, 多層板使用高密度布線和集成度高的電路。 從電磁兼容的角度看單面板和雙面板不適宜高速電路,單面、雙面布線已滿足不了高性能電路的要求,而多層布線電路的發(fā)展為解決以上問題提供了一種可能,并且其應(yīng)用變得越來越廣泛。

 

  1 多層布線的特點(diǎn)

  PCB是由具有多層結(jié)構(gòu)的有機(jī)和無機(jī)介質(zhì)材料組成,層之間的連接通過過孔來實(shí)現(xiàn),過孔鍍上或填充金屬材料就可以實(shí)現(xiàn)層之間的電信號導(dǎo)通。 多層布線之所以得到廣泛的應(yīng)用,究其原因,有以下特點(diǎn):

 ?。?)多層板內(nèi)部設(shè)有專用電源層、地線層。 電源層可以作為噪聲回路,降低干擾;同時(shí)電源層還為系統(tǒng)所有信號提供回路,消除公共阻抗耦合干擾。 減小了供電線路的阻抗,從而減小了公共阻抗干擾。

  (2)多層板采用了專門地線層,對所有信號線而言都有專門接地線。 信號線的特性:阻抗穩(wěn)定、易匹配,減少了反射引起的波形畸變;同時(shí),采用專門的地線層加大了信號線和地線之間的分布電容,減小了串?dāng)_。

 

  2 印制電路板的疊層設(shè)計(jì)

  2. 1 PCB的布線規(guī)則

  多層電路板的電磁兼容分析可以基于克?;舴蚨珊头ɡ陔姶鸥袘?yīng)定律。 根據(jù)克?;舴蚨桑?任何時(shí)域信號由源到負(fù)載的傳輸都必須有一個(gè)最低阻抗的路徑。

  具有多層的PCB常常用于高速、高性能的系統(tǒng),其中的多層用于直流(DC)電源或地參考平面。 這些平面通常是沒有任何分割的實(shí)體平面,因?yàn)榫哂凶銐虻膶佑米麟娫椿虻貙?,因此沒有必要將不同的DC電壓置于同一層上。 該層將會(huì)用作與它們相鄰的傳輸線上信號的電流返回通路。 構(gòu)造低阻抗的電流返回通路是這些平面層最重要的EMC目標(biāo)。

  信號層分布在實(shí)體參考平面層之間,它們可以是對稱的帶狀線和非對稱的帶狀線。 以一個(gè)12層板為例說明多層板的結(jié)構(gòu)和布局 。 其分層結(jié)構(gòu)為T - P - S - P - S - P - S - P - S - S - P - B,“T”為頂層,“P”為參考平面層,“S”為信號層,“B”為底層。 從頂層至底層依次為第1層、第2層、??第12層。 頂層和底層用作元件的焊盤,信號在頂層和底層不應(yīng)傳輸太長的距離,以便減少來自走線的直接輻射。 不相容的信號線應(yīng)相互隔離,這樣做的目的是避免相互之間產(chǎn)生耦合干擾。 高頻與低頻、大電流與小電流、數(shù)字與模擬信號線是不相容的, 元件布置中就應(yīng)該把不相容元件放在印制板上不同的位置, 在信號線的布置上仍要注意把它們隔離。 設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下3個(gè)問題:

 ?。?)確定哪個(gè)參考平面層將包含用于不同的DC電壓的多個(gè)電源區(qū)。 假設(shè)第11層有多個(gè)DC電壓,就意味著設(shè)計(jì)者必須將高速信號盡可能遠(yuǎn)離第10層和底層,因?yàn)榉祷仉娏鞑荒芰鬟^第10層以上的參考平面,并且需要使用縫合電容,第3、5、7和9層分別為高速信號的信號層。 重要信號的走線盡可能以一個(gè)方向布局,以便優(yōu)化層上可能的走線通道數(shù)。 分布在不同層上的信號走線應(yīng)互相垂直,這樣可以減少線間的電場和磁場的耦合干擾,第3和第7層可以設(shè)定為“東西”走線,而第5和第9層設(shè)置為“南北”走線。 走線布在哪一層要根據(jù)其到達(dá)目的地的方向。

 ?。?)高速信號走線時(shí)層的變化,及哪些不同的層用于一個(gè)獨(dú)立的走線,確保返回電流從一個(gè)參考平面流到需要的新參考平面。 這樣是為了減小信號環(huán)路面積,減小環(huán)路的差模電流輻射和共模電流輻射。 環(huán)路輻射與電流強(qiáng)度、環(huán)路面積成正比。 實(shí)際上,最好的設(shè)計(jì)并不要求返回電流改變參考平面,而是簡單地從參考平面的一側(cè)改變到另一側(cè)。 如信號層的組合可以用作信號層對:第3層和第5層,第5層和第7層,第7層和第9層,這就允許一個(gè)東西方向和南北方向形成一個(gè)布線組合。 但是第3層和第9層的組合就不應(yīng)使用,因?yàn)檫@要求返回電流從第4層流到第8層。 盡管一個(gè)去耦電容可以放置在過孔附近,但在高頻時(shí)由于存在引線和過孔電感而使電容失去作用。 并且這種走線會(huì)使信號環(huán)路面積增大,不利減小電流輻射。

 ?。?)為參考平面層選定DC電壓。 該例中,由于處理器內(nèi)部信號處理的高速性,致使在電源/地參考引腳上存在大量的噪聲。 因此,在為處理器提供相同DC電壓上使用去耦電容器非常重要,并且盡可能有效地使用去耦電容器。 降低這些元件電感的最好方法是連接走線盡可能短和寬,并且盡可能使過孔短和粗。

  如果第2層分配為“地”,且第4層分配為處理器的電源,則過孔距離放置處理器和去耦電容器的頂層應(yīng)該盡可能短。 延伸到板的底層的過空剩余部分不包含任何重要的電流,而且距離短不會(huì)具有天線作用。 表1列出了疊層設(shè)計(jì)布局的參考配置。

 

  疊層設(shè)計(jì)布局的參考配置

      

 

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