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多层印制电路板(PCB)的电磁兼容性设计指南(上)

2022-12-08 14:34
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之前我们讨论了单面板或双面板的电磁兼容性设计,但若是在高速逻辑电路时,当这两个PCB无法满足电磁兼容性要求,我们应研究多层板的应用。今天我们来讨论下多层板应如何设计,才能满足电磁兼容性要求。

一般来说,在进行多层PCB设计时,应先考虑带宽和等效电路,要强调的是:

①用于电磁兼容性设计的带宽与电子电路的不同;

②决不能用脉冲重复周期决定的频带作为PCB板的电磁兼容性设计带宽。

1、电磁兼容设计的带宽

电磁兼容设计的频率范围在频域的情形是不成问题的。除了基本频率外,再考虑谐波因素,通常取十倍频也就足够了。但在数字电路中情形有些不同,下面以数字时钟信号为例说明数字信号的基本频率特性。时钟信号是解读数字信息的基础,时钟信号应当是稳定的,具有标准波形和严格的相位关系。时钟电路的电磁兼容设计主要是保证在印制线条上传输的时钟信号不发生终端反射效应、基本上没有传输延迟、不对其他电路或器件造成串音干扰。在进行时钟电路的电磁兼容设计之前,我们必须对时钟信号的频谱特性进行分析。

2、用于PCB电磁兼容设计的等效电路

我们进行多层印制电路板电磁兼容设计时,要根据印制电路板电磁兼容设计的电路进行。印制电路板电磁兼容设计的电路与电路原理图的不同点主要是,印制电路板的电路原理图没有考虑电路中元件及印制板线条的分布参数,如分布电感、分布电容、分布互感、分布互电容以及传输延迟等项。分布电感、分布电容、分布互感、分布互电容以及传输延迟等项又恰恰是进行印制电路板电磁兼容设计的主要参数。在高频时,我们所用的电容、电阻、电感和引线都具有分布参数。3、决定多层PCB的布线安排

①布线原则

在多层印制电路板上进行布线时,首先要进行多层印制电路板的电磁兼容分析。多层印制电路板的电磁兼容分析的基本原理基于克希霍夫定律和法拉第电磁感应定律。根据克希霍夫定律,任何时域信号由源到负载的传输都必须构成一个完整的回路,频域信号由源到负载的传输都必定沿着一个最低阻抗的路径。这个原理完全适合射频电流的情况,如果射频电流不是经由设计中的回路到达目的负载的,就一定是通过某个客观存在的电路到达的,这个客观存在的电路多数是由一些分布的耦合元件连接的。构成这一非正常回路中的一些器件就会遭受电磁干扰。但是,人们常常忽略分布的耦合元件。

根据法拉第电磁感应定律,任何磁通变化都会在闭合回路中产生感应电动势,任何交变电流都会在空间产生电磁场。在数字电路设计中,人们最容易忽略的是存在于器件、导线、印制线和插头上的寄生电感、电容和导纳。例如,电容器的等效电路应当是电容、电感和电阻构成的串联电路。此外,在多层印制电路板的电磁兼容设计中电通量对消技术是很有效的,最常用的电通量对消技术是利用由实金属平面产生的镜像电流的作用。这也是我们进行多层印制电路板布线时常常考虑的因素。

②决定布线层数

在进行多层印制电路板设计时,首先要决定选用的多层印制电路板的层数,虽然多层印制电路板的层间安排随着具体电路的改变而改变,但有以下几条原则最好遵守:

(1)电源平面应靠近接地平面,并且安排在接地平面之下。这样可以利用两金属平板间的电容做电源的平滑电容,同时接地平面还对电源平面上分布的辐射电流起到屏蔽作用。分布线层应尽量安排与整块金属平面相邻。这样的安排是为了产生通量对消作用。

(2)把数字电路和模拟电路分开。有条件时,最好将数字电路和模拟电路安排在不同层内。如果一定要安排在同一层,可采用开沟、加接地线条、分隔线条等方法来补救。模拟的和数字的地、电源都要分开,绝不能混用,因为数字信号有很宽的频谱,是产生干扰的主要来源。

(3)中间层的印制线条形成平面波导,在表面层形成微带线,两者传输特性不同。

(4)时钟电路和高频电路是主要的干扰和辐射源,一定要单独安排、远离敏感电路。不同层所含的杂散电流和射频电流不同,布线时不能等同看待。

③布线层的布线安排和电气特征

设计PCB的第一个问题是需要多少个布线层和电源层,层数由下述因素决定:功能要求、噪声抖动、信号分类隔离、要设计的布线条数、阻抗匹配、VLSI电路元件密度、总线路由等。选择PCB板的层数时,每个布线层最好与实平面(电源或接地)相邻。

表1:PCB板布线的层间安排

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电源平面和接地平面上的分布电阻一定要减到最小。这些平面充满了电磁辐射频段的浪涌,可以引起逻辑混乱,瞬间短路,总线上信号过载。不同逻辑部件的导通和截止电流比是不同的。分布电阻小就使线路平面与接地平面间的电磁干扰通量比线路平面与电源平面的通量小得多。靠近电源平面时将会引起信号相移,大电感,差的线条阻抗控制,变化的噪声。

多层印制电路板有多种典型设计方式,有的设计可获最小的EMI通量性能,有的设计由于增加了实心金属层,能限制射频电流通量的延伸。使用哪一种设计方式这取决于布线网络个数、元件密度、总线尺寸、模拟和数字电路的形式以及可使用的位置。

在多层PCB电磁兼容设计中,决定印制线条间的距离和PCB电源层与边沿的距离有两个基本原则,一个是20-H原则,另一个是3-W原则。

由于文章篇幅所限,将此文分为上下两篇,欲看下篇可点击右侧链接《多层印制电路板(PCB)的电磁兼容性设计指南(下)》。

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