PCB

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效果最优呢?

01、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,使得磁通对消或最小化。

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

02、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。

03、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:


04、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。




05、六层板设计实例


对于六层板,优先考虑方案3


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,有最佳的磁通抵消效果,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,有最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。


对于六层板,备选方案4


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,它能提供极佳的布线层S2。

最差EMC效果,方案2


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。

06、总结

PCB层设计具体原则:

(1)元件面、焊接面下面为完整的地平面(屏蔽);

(2)尽量避免两信号层直接相邻;

(3)所有信号层尽可能与地平面相邻;

(4)高频、高速、时钟等关键信号布线层要有一相邻地平面。

来源:凡亿PCB

围观 21

由于开关电源的开关特性,容易使得开关电源产生极大的电磁兼容方面的干扰,作为一个电源工程师、电磁兼容工程师,或则一个 PCB layout 工程师必须了解电磁兼容问题的原因已经解决措施,特别是 layout 工程师,需要了解如何避免脏点的扩大,本文主要介绍了电源 PCB 设计的要点。

layout与PCB的29个基本关系

1、几个基本原理:任何导线都是有阻抗的;电流总是自动选择阻抗最小的路径;辐射强度和电流、频率、回路面积有关;共模干扰和大 dv/dt 信号对地互容有关;降低 EMI 和增强抗干扰能力的原理是相似的。

2、布局要按电源、模拟、高速数字及各功能块进行分区。

3、尽量减小大 di/dt 回路面积,减小大 dv/dt 信号线长度(或面积,宽度也不宜太宽,走线面积增大使分布电容增大,一般的做法是:走线的宽度尽量大,但要去掉多余的部分),并尽量走直线,降低其隐含包围区域,以减小辐射。

4、感性串扰主要由大 di/dt 环路(环形天线),感应强度和互感成正比,所以减小和这些信号的互感(主要途径是减小环路面积、增大距离)比较关键;容性串扰主要由大 dv/dt 信号产生,感应强度和互容成正比,所有减小和这些信号的互容(主要途径是减小耦合有效面积、增大距离,互容随距离的增大降低较快)比较关键。

5、尽量利用环路对消的原则来布线,进一步降低大 di/dt 回路的面积,如图 1 所示(类似双绞线利

用环路对消原理提高抗干扰能力,增大传输距离):

图 1 ,环路对消( boost 电路的续流环)

6、降低环路面积不仅降低了辐射,同时还降低了环路电感,使电路性能更佳。

7、降低环路面积要求我们精确设计各走线的回流路径。

8、当多个 PCB 通过接插件进行连接时,也需要考虑使环路面积达到最小,尤其是大 di/dt 信号、高频信号或敏感信号。最好一个信号线对应一条地线,两条线尽量靠近,必要时可以用双绞线进行连接(双绞线每一圈的长度对应于噪声半波长的整数倍)。如果大家打开电脑机箱,就可以看到主板到前面板 USB 接口就是用双绞线进行连接,可见双绞线连接对于抗干扰和降低辐射的重要性。

9、对于数据排线,尽量在排线中多安排一些地线,并使这些地线均匀分布在排线中,这样可以有效降低环路面积。

10、有些板间连接线虽然是低频信号,但由于这些低频信号中含有大量的高频噪声(通过传导和辐射),如果没有处理好,也很容易将这些噪声辐射出去。

11、布线时首先考虑大电流走线和容易产生辐射的走线。

12、开关电源通常有 4 个电流环:输入、输出、开关、续流,(如图 2 )。其中输入、输出两个电流环几乎为直流,几乎不产生 emi ,但容易受干扰;开关、续流两个电流环有较大的 di/dt ,需要注意。

图 2 , Buck 电路的电流环

13、mos ( igbt )管的栅极驱动电路通常也含有较大的 di/dt 。

14、在大电流、高频高压回路内部不要放置小信号回路,如控制、模拟电路,以避免受到干扰。

15、减小易受干扰(敏感)信号回路面积和走线长度,以减小干扰。

16、小信号走线远离大 dv/dt 信号线(比如开关管的 C 极或 D 极,缓冲 (snubber) 和钳位网络),以降低耦合,可在中间铺地(或电源,总之是常电位信号)进一步降低耦合,铺地和地平面要良好接触。小信号走线同时也要尽量远离大 di/dt 的信号线,防止感性串扰。小信号走线最好不要走到大 dv/dt 信号的下方。小信号走线背面如果能够铺地(同性质地),也能降低耦合到的噪声信号。

17、比较好的做法是,在这些大 dv/dt 、 di/dt 信号走线(包括开关器件的 C/D 极、开关管散热器)的周围和背面铺地,将上下两层铺地用过孔连接,并将此地用低阻抗走线接到公共接地点(通常为开关管的 E/S 极,或取样电阻)。这样可以减小辐射 EMI 。要注意,小信号地一定不能接到此屏蔽地上,否则会引入较大干扰。大 dv/dt 走线通常会通过互容将干扰耦合到散热器及附近的地,最好将开关管散热器接到屏蔽地上,采用表贴开关器件也会降低互容,从而降低耦合。

18、易产生干扰的走线最好不要使用过孔,它会通过过孔干扰过孔所穿过的所有层。

19、屏蔽可以降低辐射 EMI ,但由于增大了对地的电容,会使传导 EMI (共模,或非本征差模)有所增大,不过只要屏蔽层接地得当,不会增大很多。实际设计中可权衡考虑。

20、要防止共阻抗干扰,采用一点接地,电源从一点引出。

21、开关电源通常有三种地:输入电源大电流地、输出电源大电流地、小信号控制地,地的连接方法见如下示意图:




22、接地时首先应先判断地的性质,再进行连接。采样及误差放大的地通常应当接到输出电容的负极,采样信号通常应从输出电容的正极取出,小信号控制地和驱动地通常要分别接到开关管的 E/S 极或取样电阻上,防止共阻抗干扰。通常 IC 的控制地和驱动地不单独引出,此时取样电阻到上述地的引线阻抗必须尽量小,最大程度减小共阻抗干扰,提高电流采样的精度。

23、输出电压采样网络最好靠近误差放大器,而不是靠近输出端,这是由于低阻抗信号比高阻抗信号更不容易受到干扰,采样走线对要尽量相互靠近以减小拾取到的噪声。

24、布局注意电感要远离,并相互垂直,以减小互感,尤其是储能电感和滤波电感。

25、布局注意高频电容和低频电容并联使用时,高频电容靠近使用者。

26、低频干扰一般为差模( 1M 以下),高频干扰一般为共模,通常通过辐射耦合。

27、如果高频信号被耦合到输入引线,很容易形成 EMI (共模),可在输入引线接近电源处套一个磁环,如果 EMI 降低就表明存在此问题。解决此问题的方法是,降低耦合或降低电路的 EMI 。如果高频噪声没有被过滤干净而传导到输入引线,也会形成 EMI (差模),此时套磁环不能解决问题,在输入引线接近电源处串两个高频电感(对称),如果 EMI 降低就表明存在此问题。解决此问题的方法是改善滤波,或采用缓冲、钳位等手段减小高频噪声的产生。

28、差模和共模电流的测量:


29、EMI 滤波器要尽量靠近进线,进线的走线要尽量短,尽量减小 EMI 滤波器前后级的耦合。进线最好用机壳地进行屏蔽(方法如上所述)。输出 EMI 滤波器也要作类似处理。尽量拉开进线和高 dv/dt 信号走线的距离,在布局上要加以考虑。

来源:网络转载

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