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干货 | PCB如何设计才能发挥EMC醉优效果?
发布时间:2021-02-21   点击次数:425次

    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效果醉优呢?

 

 

一、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

 

 

二、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。

 

 

三、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:

 

 

四、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。

 

 

五、六层板设计实例

 

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,有醉佳的磁通抵消效果,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,有醉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。

 

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,它能提供及佳的布线层S2。

 

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。

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