針對 EMI 設(shè)計(jì) PCB,第 2 部分:基本層疊
本系列的第 1 部分描述了數(shù)字信號如何通過 PCB 板傳播。 1、2、5、6]。在第 2 部分中,我們將研究實(shí)現(xiàn)低 EMI 的特定電路板設(shè)計(jì)。我在客戶的電路板設(shè)計(jì)中看到的最大問題是層堆疊不良。
重申第 1 部分中的兩個(gè)基本規(guī)則,并實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號和功率(瞬態(tài))是在介電層中移動的電磁波,我們看到在 PC 板設(shè)計(jì)方面有兩個(gè)非常重要的原則:
1. PC 板上的每條信號和電源走線(或平面)都應(yīng)被視為傳輸線。
2. 傳輸線中的數(shù)字信號傳播實(shí)際上是銅跡線和 GRP 之間空間中電磁場的運(yùn)動。
要構(gòu)建傳輸線,您需要兩塊相鄰的金屬來捕獲或包含磁場。例如,鄰近接地返回平面 (GRP) 上的微帶線或鄰近 GRP 的帶狀線或鄰近 GRP 的電源跡線(或平面)。例如,在電源和接地參考平面之間放置多個(gè)信號層將導(dǎo)致快速信號出現(xiàn)真正的 EMI 問題。遵守這兩條規(guī)則將決定層的堆疊。
換句話說,每個(gè)信號或電源走線(路由電源)必須有一個(gè)相鄰的 GRP,并且所有電源層都應(yīng)該有一個(gè)相鄰的 GRP。多個(gè) GRP 應(yīng)通過縫合過孔矩陣連接在一起。在本文中,我們將研究幾種層疊設(shè)計(jì)。
典型的六層設(shè)計(jì) (Altium)
我經(jīng)??吹降囊环N堆疊就是這種六層設(shè)計(jì)(圖 1)。這在 2000 年代初到 2000 年代初的 20 世紀(jì) 90 年代可能很有效,但隨著當(dāng)今速度更快的混合信號技術(shù)的發(fā)展,它成為了 EMI 災(zāi)難的根源。這有兩個(gè)問題:底部兩個(gè)信號層以電源平面為參考,而電源和接地返回平面不相鄰且相距太遠(yuǎn)。
圖 1一種非常常見但較差的 EMI 層疊設(shè)計(jì)(6 層示例)。信號層 4 和 6 以電源為參考,而 GRP 和電源層不相鄰,中間有兩個(gè)信號層。這將耦合這兩個(gè)信號層上的功率瞬變。
除了少數(shù)例外情況(例如某些 DDR RAM 電源和信號),電流都希望返回其源,這些源以 GRP 為參考。將這些信號引用到電源層具有很大的 EMI 風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)槌送ㄟ^面間電容(在這種情況下相對較小)之外,沒有明確定義的返回路徑。此外,返回路徑中的這些間隙會導(dǎo)致場泄漏到電路板介電層的其他區(qū)域。這反過來又會導(dǎo)致交叉耦合和輻射 EMI。
當(dāng)我們將電源和 GRP 通過兩個(gè)信號層分開時(shí),就會出現(xiàn)第二個(gè)問題。任何電源網(wǎng)絡(luò)瞬態(tài)都會在介電層內(nèi)交叉耦合,耦合到沿途第 3 層和第 4 層上的任何信號跡線。如果這些平面之間的距離超過 3-4 密耳,您也會失去任何平面間電容優(yōu)勢。
以下是符合數(shù)字信號傳播傳輸線方面要求的印刷電路板層疊的幾種想法。
四層板:設(shè)計(jì) 1
良好的四層板堆疊可改善 EMI(圖 2)。我們使用路由或澆注電源以及第 2 層和第 3 層上的信號來代替電源層。因此,每個(gè)信號/電源走線都與 GRP 相鄰。此外,只要將兩個(gè) GRP 通過縫合過孔矩陣連接在一起,就可以輕松在所有層之間走通孔。如果沿著周邊(例如,每 5 毫米)運(yùn)行一排縫合過孔,就會形成法拉第籠。
圖 2這種良好的四層板堆疊可改善 EMI,使信號和路由電源保持在接地參考平面附近。
四層板:設(shè)計(jì) 2
另一方面,如果您希望訪問信號和路由/澆注電源走線,您可以簡單地反轉(zhuǎn)層對,使兩個(gè) GRP 層位于中間,兩個(gè)信號層位于頂部和底部,具有路由電源和足夠的去耦電容,而不是電源層(圖 3)。
圖 3這種良好的四層板層疊結(jié)構(gòu)可改善 EMI,將接地參考平面置于板內(nèi)。
對于這兩種四層設(shè)計(jì),您需要運(yùn)行一種縫合過孔圖案,連接兩個(gè) GRP,最大間距約為 1 厘米。
八層板 (Altium)
四層板和八層板設(shè)計(jì)(圖 4)都遵循兩個(gè)基本規(guī)則,以保持良好的傳輸線設(shè)計(jì)。此外,對于八層設(shè)計(jì),電源層和 GRP 層現(xiàn)在相距 4 密耳,提供相當(dāng)好的層間電容。再近一點(diǎn)就更好了。例如,1 密耳至 3 密耳的間距是最小化 EMI 的理想選擇。所有 GRP 均應(yīng)使用 1 厘米的過孔圖案縫合在一起。
圖 4良好的 EMI 層疊設(shè)計(jì)(8 層示例)。所有信號層都參考相鄰的GRP,而功率也參考相鄰的GRP。
當(dāng)然,在信號和 GRP 或電源和 GRP 之間創(chuàng)建適當(dāng)?shù)膫鬏斁€對方面還有更多的迭代。
兩層板呢?
很簡單,只需在第 1 層上運(yùn)行信號和路由電源,并在第 2 層上使用 GRP。嗯,這可能在昨天的技術(shù)中有效。在當(dāng)今的技術(shù)中,我們經(jīng)常需要使用至少兩層來運(yùn)行信號。答案是在兩條信號跡線之間運(yùn)行“三元組”并使用接地返回跡線(圖 5)。
圖 5信號路由三元組的示例,以及嘗試保留路由電源的傳輸線原理。
在這里,我們看到了保留路由電源的傳輸線屬性的嘗試。該示例還顯示了模擬信號跡線,它們之間有一條接地返回跡線——路由的“三元組”。由于在每條信號跡線和返回跡線之間充分捕獲了電磁場,因此幾乎沒有場泄漏。