PCB級聯EMC系列知識概述

PCB 堆疊是決定產品EMC性能的重要因素。 良好的分層可以非常有效地減少來自 PCB 迴路(差模發射)以及連接到電路板的電纜(共模發射)的輻射。

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另一方面,不良級聯會大大增加兩種機制的輻射。 考慮板材堆疊的重要因素有四個:

1.層數;

2. 使用的層數和類型(電源和/或地);

3. 層的順序或順序;

4.層間間隔。

通常只考慮層數。 在許多情況下,其他三個因素同樣重要,而第四個因素有時甚至連 PCB 設計人員都不知道。 在確定層數時,請考慮以下幾點:

1、信號量和佈線成本;

2. 頻率;

3. 產品是否必須滿足Class A或Class B的發射要求?

4. PCB在屏蔽或非屏蔽外殼中;

5.設計團隊的EMC工程專業知識。

通常只考慮第一項。 事實上,所有項目都是至關重要的,應該平等考慮。 如果要以最少的時間和成本實現最佳設計,最後一項尤為重要,不應忽視。

與兩層板相比,使用接地和/或電源平面的多層板顯著減少了輻射發射。 使用的一般經驗法則是四層板產生的輻射比兩層板少 15dB,所有其他因素都相同。 由於以下原因,具有平坦表面的板比沒有平坦表面的板要好得多:

1. 它們允許將信號路由為微帶線(或帶狀線)。 這些結構是受控阻抗傳輸線,其輻射比兩層板上使用的隨機佈線少得多;

2. 接地層顯著降低了接地阻抗(從而降低了接地噪聲)。

儘管兩個板已成功用於 20-25mhz 的非屏蔽外殼,但這些情況是例外而不是規則。 高於 10-15mhz 時,通常應考慮多層面板。

使用多層板時,您應該嘗試實現五個目標。 它們分別是:

1、信號層應始終與平面相鄰;

2、信號層應與其相鄰平面緊密耦合(接近);

3、電源平面和地平面要緊密結合;

4、高速信號應該埋在兩個平面之間的線路中,平面可以起到屏蔽作用,並且可以抑制高速印製線路的輻射;

5. 多個接地平面有很多優點,因為它們會降低電路板的接地(參考平面)阻抗,減少共模輻射。

通常,我們面臨信號/平面鄰近耦合(目標 2)和電源/接地平面鄰近耦合(目標 3)之間的選擇。 使用傳統的 PCB 構建技術,相鄰電源和接地層之間的平板電容不足以在 500 MHz 以下提供足夠的去耦。

因此,去耦必須通過其他方式解決,我們一般應該選擇信號與電流返回平面之間的緊耦合。 信號層和電流返回平面之間緊密耦合的優勢將超過平面之間電容的輕微損失所帶來的劣勢。

八層是可用於實現所有這五個目標的最少層數。 其中一些目標將不得不在四層和六層板上妥協。 在這些條件下,您必須確定哪些目標對手頭的設計最重要。

不應將上述段落解釋為您無法在四層或六層板上進行良好的 EMC 設計。 它只是表明並非所有目標都可以同時實現,需要某種妥協。

由於所有所需的 EMC 目標都可以用八層來實現,因此除了容納額外的信號佈線層外,沒有理由使用超過八層。

從機械角度來看,另一個理想的目標是使PCB板的橫截面對稱(或平衡)以防止翹曲。

比如在八層板上,如果第二層是平面,那麼第七層也應該是平面。

因此,此處介紹的所有配置均使用對稱或平衡結構。 如果允許不對稱或不平衡結構,則可以構建其他級聯配置。

四層板

最常見的四層板結構如圖1所示(電源平面和接地平面可以互換)。 它由四個均勻分佈的層組成,帶有一個內部電源層和一個接地層。 這兩個外部佈線層通常具有正交的佈線方向。

雖然這種結構比雙面板好得多,但它有一些不太理想的特點。

對於第 1 部分中的目標列表,此堆棧僅滿足目標 (1)。 如果各層等距,則信號層與電流返回平面之間存在較大間隙。 電源平面和接地平面之間也有很大的間隙。

對於四層板,我們無法同時糾正兩個缺陷,因此我們必須決定哪一個對我們最重要。

如前所述,相鄰電源和接地層之間的層間電容不足以使用傳統的 PCB 製造技術提供足夠的去耦。

去耦必須通過其他方式處理,我們應該選擇信號和電流返回平面之間的緊密耦合。 信號層和電流返回平面之間緊密耦合的優點將超過層間電容的輕微損失的缺點。

因此,提高四層板的EMC性能最簡單的方法就是讓信號層盡可能靠近平面。 10mil),並在電源和接地層之間使用大介質芯 (> 40mil),如圖2所示。

這具有三個優點和幾個缺點。 信號環路面積更小,因此產生的差模輻射更少。 對於佈線層與平面層間隔5mil的情況,相對於等距堆疊結構,可以實現10dB以上的環路輻射降低。

其次,信號線與地的緊密耦合降低了平面阻抗(電感),從而降低了連接到電路板的電纜的共模輻射。

第三,佈線與平面的緊密耦合將減少佈線之間的串擾。 對於固定電纜間距,串擾與電纜高度的平方成正比。 這是減少四層 PCB 輻射的最簡單、最便宜和最容易被忽視的方法之一。

通過這種級聯結構,我們同時滿足目標(1)和(2)。

四層疊層結構還有哪些可能性? 那麼,我們可以使用一些非常規的結構,即切換圖 2 中的信號層和平面層,以產生圖 3A 所示的級聯。

這種層壓的主要優點是外層為內層上的信號路由提供了屏蔽。 缺點是接地層可能會被 PCB 上的高密度元件焊盤嚴重切割。 通過反轉平面,將電源平面放在元件的一側,並將接地平面放在電路板的另一側,可以在一定程度上緩解這種情況。

其次,有些人不喜歡外露的電源層,第三,掩埋的信號層使電路板難以返工。 級聯滿足目標(1)、(2),並且部分滿足目標(4)。

這三個問題中的兩個可以通過級聯來緩解,如圖 3B 所示,其中兩個外層是接地層,電源在信號層上作為佈線佈線。電源應使用信號層中的寬走線進行光柵佈線。

這種級聯的另外兩個優點是:

(1) 兩個接地層提供低得多的接地阻抗,從而減少共模電纜輻射;

(2) 兩個地平面可以在板的外圍縫合在一起,以密封法拉第籠中的所有信號跡線。

從 EMC 的角度來看,這種分層如果做得好,可能是四層 PCB 中最好的分層。 現在我們只用一張四層板就達到了目標(1)、(2)、(4)和(5)。

圖 4 顯示了第四種可能性,不是通常的一種,而是一種表現良好的可能性。 這與圖2類似,但使用地平面代替電源平面,電源作為信號層上的走線用於佈線。

這種級聯克服了前面提到的返工問題,並且由於有兩個接地層,還提供了低接地阻抗。 然而,這些平面不提供任何屏蔽。 此配置滿足目標 (1)、(2) 和 (5),但不滿足目標 (3) 或 (4)。

因此,正如您所看到的,四層分層的選擇比您最初想像的要多,而且四層 PCBS 可以實現我們五個目標中的四個。 從 EMC 的角度來看,圖 2、3b 和 4 的分層都運行良好。

6層板

大多數六層板由四個信號佈線層和兩個平面層組成,從EMC的角度來看,六層板普遍優於四層板。

圖 5 顯示了無法用於六層板的級聯結構。

這些平面不為信號層提供屏蔽,並且其中兩個信號層(1和6)不與平面相鄰。 這種安排只有在所有高頻信號都在第 2 層和第 5 層佈線時才有效,並且只有非常低頻的信號,或者更好的是,根本沒有信號線(只有焊盤)在第 1 層和第 6 層佈線。

如果使用,則 1 層和 6 層的任何未使用區域應盡可能多地舖設並連接到主樓層。

這種配置僅滿足我們最初的目標之一(目標 3)。

有六層可用,為高速信號提供兩個埋層的原理(如圖3所示)很容易實現,如圖6所示。 這種配置還為低速信號提供了兩個表面層。

這可能是最常見的六層結構,如果做得好,可以非常有效地控制電磁輻射。 此配置滿足目標 1,2,4、3,5、XNUMX,但不滿足目標 XNUMX、XNUMX。 它的主要缺點是電源層和地層分離。

由於這種分離,電源層和地層之間沒有太多的層間電容,因此必須進行仔細的去耦設計以應對這種情況。 有關去耦的更多信息,請參閱我們的去耦技術提示。

圖 7 顯示了一個幾乎相同、性能良好的六層層壓結構。

H1代表信號1的水平走線層,V1代表信號1的垂直走線層,H2和V2代表信號2的意義相同,這種結構的優點是正交走線信號總是指向同一個平面。

要了解為什麼這很重要,請參閱第 6 部分中有關信號到參考平面的部分。 缺點是第1層和第6層信號沒有屏蔽。

因此,信號層應非常靠近其相鄰平面,並應使用較厚的中間芯層來彌補所需的板厚。 典型的 0.060 英寸厚板間距很可能是 0.005″/0.005″/0.040″/0.005″/0.005″/0.005″。 這種結構滿足目標 1 和 2,但不滿足目標 3、4 或 5。

另一種性能優異的六層板如圖8所示。 它提供兩個信號埋層以及相鄰的電源和接地層,以滿足所有五個目標。 不過最大的缺點是它只有兩層佈線層,所以用的不是很頻繁。

六層板比四層板更容易獲得良好的電磁兼容性。 我們還擁有四個信號路由層的優勢,而不是僅限於兩個。

與四層電路板的情況一樣,六層 PCB 滿足了我們五個目標中的四個。 如果我們將自己限制在兩個信號路由層,那麼所有五個目標都可以實現。 從 EMC 的角度來看,圖 6、圖 7 和圖 8 中的結構都運行良好。