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EMC设计-PCB多层板设计思路分析

在PCB的EMC设计考虑中,复杂的项目系统我们需要使用PCB的多层板设计。就需要注意层的设置;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,我在前期讲过开关电源的PCB设计更是如此!

PCB设计的架构模型

PCB的EMC设计的关键是:尽可能减小回路面积,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?

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,使得磁通对消或最小化。

1.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。

2.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、磁通对消原理理论

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,具体设计思路图如下:

四、右手定则解释磁通对消效果

如何用右手法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,磁场的方向以右手法则来确定。

(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。

注意:对于2层板和4层板的设计目前我们从应用的角度来看,我相信大多数电子工程师在设计应用上基本问题不大!

简单说明一下如下:

我提供参考建议如下:

●2-4层板布线,尽量用专门一层作为地平面;有利于减小高频噪声。

●良好的接地线宽度必须>100mil;(1mil=1/1000inch=0.00254cm=0.0254mm)

●<100mil地线宽度只能作为电气接地;

●地线尽量避免跳线、过孔连接或通过单一过孔连接;

●当地线和其它线路冲突时优先地线走线。

五、对于六层板设计我通过如下实例进行分析

1.对于六层板,优先考虑方案3

我进行PCB的架构分析:

(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。

3.对于六层板,备选方案4

我进行PCB的架构分析:

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。

4.最差EMC效果,方案2

我进行PCB的架构分析:

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。

我对于多层板的PCB设计架构思路总结:

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。

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