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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? ) _4 e" x0 ^+ ~% G H$ F6 f5 }7 r$ B
01PCB层的设计思路$ G! I0 l! K/ T4 _( ]8 f" v
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 ?$ E1 u" G1 i, V单板镜像层
9 Y; h" `! [4 h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： d j$ ?1 W2 j4 c: p; r
(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。 ) c* p' \/ p" a) h n
(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;
0 k5 \3 l6 A& H5 h3 \* U(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; ( Y7 R' F2 F3 D) v9 n) C3 ^; W
(4)阻抗控制，防止信号反射。 ( q! V3 s! f, A: U8 M
镜像层的选择
5 t# M, U' i: _; o7 U(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; " j- J3 N6 Y4 H7 x
(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; , E- m* f6 i4 u8 l$ r' J+ o; W [ O
(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;
2 V) p+ z6 O6 M- l* M* c(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
& v/ y8 Q, n s ?9 o0 q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3 h- K Z6 r- T5 L! I9 C
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：
+ Y& E1 k# w. P04右手定则解释磁通对消效果
* A8 U) H$ C6 V5 J0 j' t# e$ c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：
. [2 G0 s* b/ ?# d9 q1 J" X(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。 9 g! M! S0 [% y) D
(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。
2 o3 ` {. q8 i3 N% f: `' U% r; \0 y& N3 M
05六层板设计实例( b6 [# n2 {+ ~( }! b
- k; s, Q. R. y& ~0 I5 p4 @对于六层板，优先考虑方案3 分析： . T9 O4 y( }- q
(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。 o+ _8 ]$ P; `$ h( G
(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。
4 X; v* F( H0 m, r(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。 8 x* o, b$ ?$ m7 ^- `5 X
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。
* M+ M! ~( W) j* J% X6 W; d06总结
+ c9 Q: O5 b" Z4 a. z2 r& \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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发表于 2022-4-24 14:24
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