How to design PCB layer to optimize EMC effect of PCB?

In the EMC design of PCB,首先关心的是图层设置; 电路板的层数由电源层、地层和信号层组成。 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 EMC设计的关键是尽量减少回流面积,使回流路径沿我们设计的方向流动。 The layer design is the basis of PCB, how to do a good job of PCB layer design to make the EMC effect of PCB optimal?

印刷电路板

Design ideas of PCB layer:

PCB叠层EMC规划设计的核心是合理规划信号回流路径,尽量减少信号从板镜层回流的面积,从而消除或减少磁通量。

1. Board mirroring layer

镜面层是PCB内部与信号层相邻的一层完整的镀铜平面层(电源层、接地层)。 主要功能如下:

(1)降低回流噪声:镜层可以为信号层回流提供一条低阻抗路径,尤其是在配电系统中有大电流流动时,镜层的作用更加明显。

(2)降低EMI:镜层的存在减少了信号和回流形成的闭环面积,降低了EMI;

(3)减少串扰:有助于控制高速数字电路中信号线之间的串扰问题,从镜层改变信号线的高度,可以控制信号线之间的串扰,高度越小,越小串扰;

(4) 阻抗控制,防止信号反射。

选择镜像层

(1) 电源和地平面都可以作为参考平面,对内部走线有一定的屏蔽作用;

(2)相对而言,电源平面的特性阻抗较高,与参考电平存在较大的电位差,对电源平面的高频干扰较大;

(3)从屏蔽的角度来说,地平面一般接地,作为参考电平的参考点,其屏蔽效果远好于电源平面;

(4) When selecting the reference plane, the ground plane should be preferred, and the power plane should be selected second.

Magnetic flux cancellation principle:

According to Maxwell’s equations, all electrical and magnetic action between separate charged bodies or currents is transmitted through the intermediate region between them, whether it be a vacuum or solid matter. 在 PCB 中,通量总是在传输线中传播。 如果射频回流路径与对应的信号路径平行,回流路径上的磁通与信号路径上的磁通方向相反,则它们相互叠加,从而获得磁通抵消的效果。

磁通抵消的本质是对信号回流路径的控制,如下图所示:

如何用右手定则解释信号层与地层相邻时的磁通抵消效应解释如下:

印刷电路板

(1)当电流流过导线时,导线周围会产生磁场,磁场的方向由右手定则确定。

(2)当有两根靠得很近并平行的导线时,如下图所示,其中一根导电体漏出,另一根导电体流过,如果有电流流过导线是电流及其返回的电流信号,那么两个相反方向的电流相等,所以它们的磁场相等,但方向相反,所以它们相互抵消。

Six layer board design example

1. For six-layer plates, scheme 3 is preferred;

分析:

(1) 由于信号层与回流参考面相邻,S1、S2、S3与接地面相邻,因此达到了最佳的磁通抵消效果。 因此,S2 是首选路由层,其次是 S3 和 S1。

(2)电源平面与GND平面相邻,平面之间的距离很小,具有最好的磁通抵消效果和低电源平面阻抗。

(3) 主电源及其对应的地布位于第4层和第5层。设置层厚时,应增大S2-P之间的间距,减小P-G2之间的间距(层间距)。 G1-S2应相应减小),以减小电源平面的阻抗和电源对S2的影响。

2. When the cost is high, scheme 1 can be adopted;

分析:

(1) Because the signal layer is adjacent to the reflow reference plane and S1 and S2 are adjacent to the ground plane, this structure has the best magnetic flux cancellation effect;

(2) Due to the poor magnetic flux cancellation effect and high power plane impedance from the power plane to the GND plane through S3 and S2;

(3) Preferred wiring layer S1 and S2, followed by S3 and S4.

3. For six-layer plates, option 4

分析:

方案4比方案3更适合局部、少量信号需求,可以提供极好的布线层S2。

4. Worst EMC effect, Scheme,分析:

In this structure, S1 and S2 are adjacent, S3 and S4 are adjacent, and S3 and S4 are not adjacent to the ground plane, so the magnetic flux cancellation effect is poor.

C包含

PCB层设计的具体原则:

(1) 元器件面和焊接面下方有完整的接地面(屏蔽);

(2) 尽量避免两个信号层直接相邻;

(3) 所有信号层尽可能与地平面相邻;

(4) 高频、高速、时钟等关键信号的布线层应有相邻的地平面。