教你利用PCB分层堆叠控制EMI辐射

发布时间:2022-09-05 03:47 阅读次数:
本文摘要:解决问题EMI问题的办法很多,现代的EMI诱导方法还包括:利用EMI诱导涂层、搭配适合的EMI诱导零配件和EMI建模设计等。本文从最基本的PCB布板抵达,辩论PCB分层填充在掌控EMI电磁辐射中的起到和设计技巧。电源汇流排在IC的电源插槽附近合理地移往必要容量的电容,可使IC输入电压的跳变远比更加慢。 然而,问题并非到此为止。由於电容呈圆形受限频率响应的特性,这使得电容无法在全频带上分解整洁地驱动IC输入所必须的谐波功率。

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解决问题EMI问题的办法很多,现代的EMI诱导方法还包括:利用EMI诱导涂层、搭配适合的EMI诱导零配件和EMI建模设计等。本文从最基本的PCB布板抵达,辩论PCB分层填充在掌控EMI电磁辐射中的起到和设计技巧。电源汇流排在IC的电源插槽附近合理地移往必要容量的电容,可使IC输入电压的跳变远比更加慢。

然而,问题并非到此为止。由於电容呈圆形受限频率响应的特性,这使得电容无法在全频带上分解整洁地驱动IC输入所必须的谐波功率。

除此之外,电源汇流排上构成的瞬态电压在去耦路径的电感两端不会构成电压叛,这些瞬态电压就是主要的共模EMI干扰源。我们应当怎么解决问题这些问题?就我们电路板上的IC而言,IC周围的电源层可以看作是优良的高频电容器,它可以搜集为整洁输入获取高频能量的并存电容器所外泄的那部份能量。

此外,优良的电源层的电感要小,从而电感所制备的瞬态信号也小,进而减少共模EMI。当然,电源层到IC电源插槽的连线必需尽量较短,因为数位信号的下降沿越来越快,最差是必要接上IC电源插槽所在的焊盘上,这要另外辩论。为了掌控共模EMI,电源层要有助於去耦和具备充足较低的电感,这个电源层必需是一个设计非常好的电源层的筛选。

有人可能会问,好到什么程度才算好?问题的答案各不相同於电源的分层、层间的材料以及工作频率(即IC上升时间的函数)。一般来说,电源分层的间距是6mil,夹层是FR4材料,则每平方英寸电源层的等效电容大约为75pF。

似乎,层间距就越小电容越大。上升时间为100到300ps的器件并不多,但是按照目前IC的发展速度,上升时间在100到300ps范围的器件将占据很高的比例。对於100到300ps上升时间的电路,3mil层间距对大多数应用于将仍然限于。

那时,有适当使用层间距小於1mil的分层技术,后用介电常数很高的材料替换FR4介电材料。现在,陶瓷和特陶塑漆可以符合100到300ps上升时间电路的设计拒绝。尽管未来可能会使用新材料和新方法,但对於今天少见的1到3ns上升时间电路、3到6mil层间距和FR4介电材料,一般来说充足处置高端谐波并使瞬态信号充足较低,就是说,共模EMI可以叛得很低。本文得出的PCB分层填充设计实例将假设层间距为3到6mil。

电磁屏蔽从信号回头线来看,好的分层策略应当是把所有的信号回头线放到一层或若干层,这些层紧靠著电源层或接地层。对於电源,好的分层策略应当是电源层与相接地层邻接,且电源层与相接地层的距离尽量小,这就是我们所讲的“分层"策略。PCB填充什么样的填充策略有助於屏蔽和诱导EMI?以下分层填充方案假设电源电流在单一层上流动,单电压或多电压产于在同一层的有所不同部份。多电源层的情形几天后辩论。

4层板4层板设计不存在若干潜在问题。首先,传统的厚度为62mil的四层板,即使信号层在外层,电源和相接地层在内层,电源层与相接地层的间距依然过大。如果成本拒绝是第一位的,可以考虑到以下两种传统4层板的替代方案。

这两个方案都能提高EMI诱导的性能,但只限于於板上元件密度充足较低和元件周围有充足面积(摆放所拒绝的电源覆铜层)的场合。第一种为选用方案,PCB的外层皆为地层,中间两层皆为信号/电源层。信号层上的电源用宽线走线,这可使电源电流的路径电阻较低,且信号微带路径的电阻也较低。

从EMI掌控的看作,这是现有的最佳4层PCB结构。第二种方案的外层回头电源和地,中间两层回头信号。该方案比较传统4层板来说,改良要小一些,层间电阻和传统的4层板一样佳。

如果要掌控回头线电阻,上述填充方案都要十分小心地将走线布置在电源和相接地铺铜岛的下边。另外,电源或地层上的铺铜岛之间不应尽量地点对点在一起,以保证DC和低频的连接性。

6层板如果4层板上的元件密度较为大,则最差使用6层板。但是,6层板设计中某些叠层方案对电磁场的屏蔽起到过于好,对电源汇流排瞬态信号的减少起到不大。下面辩论两个实例。

第一例将电源和地分别放到第2和第5层,由於电源覆铜电阻低,对掌控共模EMI电磁辐射十分有利。不过,从信号的电阻掌控观点来看,这一方法毕竟十分准确的。

第二例将电源和地分别放到第3和第4层,这一设计解决问题了电源覆铜电阻问题,由於第1层和第6层的电磁屏蔽性能劣,差模EMI减少了。如果两个外层上的信号线数量最多,回头线长度很短(较短於信号最低谐波波长的1/20),则这种设计可以解决问题差模EMI问题。

将外层上的无元件和无回头线区域砖铜填满并将覆铜区短路(每1/20波长为间隔),则对差模EMI的诱导尤其好。如前所述,要将砖铜区与内部相接地层多点串联。

标准化高性能6层板设计一般将第1和第6层布为地层,第3和第4层回头电源和地。由於在电源层和相接地层之间是两层互为的双微带信号线层,因而EMI诱导能力是出色的。该设计的缺点在於走线层只有两层。前面讲解过,如果外层走线较短且在无回头线区域砖铜,则用传统的6层板也可以构建完全相同的填充。

另一种6层板布局为信号、地、信号、电源、地、信号,这可实现高级信号完整性设计所必须的环境。信号层与相接地层邻接,电源层和相接地层筛选。

似乎,不足之处是层的填充不均衡。这一般来说不会给加工生产带给困难。解决问题的办法是将第3层所有的空白区域堆铜,堆铜后如果第3层的覆铜密度相似於电源层或接地层,这块板可以不严苛地视作是结构均衡的电路板。

堆铜区必需接电源或短路。相连过孔之间的距离依然是1/20波长,未必恣意都要相连,但理想情况下应当相连。


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