PCB多層板 : 磁通對(duì)消法有效控制EMC

在PCB的EMC設(shè)計(jì)考慮中，首先涉及的便是層的設(shè)置; 單板的層數(shù)由電源、地的層數(shù)和信號(hào)層數(shù)組成;在產(chǎn)品的EMC設(shè)計(jì)中，除了元器件的選擇和電路設(shè)計(jì)之外，良好的PCB設(shè)計(jì)也是一個(gè)非常重要的因素。

PCB的EMC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是盡可能減小回流面積，讓回流路徑按照我們?cè)O(shè)計(jì)的方向流動(dòng)。而層的設(shè)計(jì)是PCB的基礎(chǔ)，如何做好PCB層設(shè)計(jì)才能讓PCB的EMC效果最優(yōu)呢?

PCB層的設(shè)計(jì)思路：

PCB疊層EMC規(guī)劃與設(shè)計(jì)思路的核心就是合理規(guī)劃信號(hào)回流路徑，盡可能減小信號(hào)從單板鏡像層的回流面積，使得磁通對(duì)消或最小化。

1、單板鏡像層

鏡像層是PCB內(nèi)部臨近信號(hào)層的一層完整的敷銅平面層(電源層、接地層)。主要有以下作用：

(1)降低回流噪聲：鏡像層可以為信號(hào)層回流提供低阻抗路徑，尤其在電源分布系統(tǒng)中有大電流流動(dòng)時(shí)，鏡像層的作用更加明顯。

(2)降低EMI：鏡像層的存在減少了信號(hào)和回流形成的閉合環(huán)的面積，降低了EMI;

(3)降低串?dāng)_：有助于控制高速數(shù)字電路中信號(hào)走線之間的串?dāng)_問(wèn)題，改變信號(hào)線距鏡像層的高度，就可以控制信號(hào)線間串?dāng)_，高度越小，串?dāng)_越小;

(4)阻抗控制，防止信號(hào)反射。

2、鏡像層的選擇

(1)電源、地平面都能用作參考平面，且對(duì)內(nèi)部走線有一定的屏蔽作用;

(2)相對(duì)而言，電源平面具有較高的特性阻抗，與參考電平存在較大的電勢(shì)差，同時(shí)電源平面上的高頻干擾相對(duì)比較大;

(3)從屏蔽的角度，地平面一般均作了接地的處理，并作為基準(zhǔn)電平參考點(diǎn)，其屏蔽效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于電源平面;

(4)選擇參考平面時(shí)，應(yīng)優(yōu)選地平面，次選電源平面。

磁通對(duì)消原理：

根據(jù)麥克斯韋方程，分立的帶電體或電流，它們之間的一切電的及磁的作用都是通過(guò)它們之間的中間區(qū)域傳遞的，不論中間區(qū)域是真空還是實(shí)體物質(zhì)。在PCB中磁通總是在傳輸線中傳播的，如果射頻回流路徑平行靠近其相應(yīng)的信號(hào)路徑，則回流路徑上的磁通與信號(hào)路徑上的磁通是方向相反的，這時(shí)它們相互疊加，則得到了通量對(duì)消的效果。

磁通對(duì)消的本質(zhì)就是信號(hào)回流路徑的控制，具體示意圖如下：

如何用右手定則來(lái)解釋信號(hào)層與地層相鄰時(shí)磁通對(duì)消效果，解釋如下：

(1)當(dāng)導(dǎo)線上有電流流過(guò)時(shí)，導(dǎo)線周圍便會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的方向以右手定則來(lái)確定。

(2)當(dāng)有兩條彼此靠近且平行的導(dǎo)線，如下圖所示，其中一個(gè)導(dǎo)體的電流向外流出，另一個(gè)導(dǎo)體的電流向內(nèi)流入，如果流過(guò)這兩根導(dǎo)線的電流分別是信號(hào)電流和它的回流電流，那么這兩個(gè)電流是大小相等方向相反的，所以它們的磁場(chǎng)也是大小相等，而方向是相反的，因此能相互抵消。

六層板設(shè)計(jì)實(shí)例

1、對(duì)于六層板，優(yōu)先考慮方案3;

分析：

(1)由于信號(hào)層與回流參考平面相鄰，S1、S2、S3相鄰地平面，有最佳的磁通抵消效果，優(yōu)選布線層S2，其次S3、S1。

(2)電源平面與GND平面相鄰，平面間距離很小，有最佳的磁通抵消效果和低的電源平面阻抗。

(3)主電源及其對(duì)應(yīng)的地布在4、5層，層厚設(shè)置時(shí)，增大S2-P之間的間距，縮小P-G2之間的間(相應(yīng)縮小G1-S2層之間的間距)，以減小電源平面的阻抗，減少電源對(duì)S2的影響。

2、在成本要求較高的時(shí)候，可采用方案1;

分析：

(1)此種結(jié)構(gòu)，由于信號(hào)層與回流參考平面相鄰，S1和S2緊鄰地平面，有最佳的磁通抵消效果;

(2)電源平面由于要經(jīng)過(guò)S3和S2到GND平面，差的磁通抵消效果和高的電源平面阻抗;

(3)優(yōu)選布線層S1、S2，其次S3、S4。

3、對(duì)于六層板，備選方案4

分析：

對(duì)于局部、少量信號(hào)要求較高的場(chǎng)合，方案4比方案3更適合，它能提供極佳的布線層S2。

4、最差EMC效果，方案2

分析：

此種結(jié)構(gòu)，S1和S2相鄰，S3與S4相鄰，同時(shí)S3與S4不與地平面相鄰，磁通抵消效果差。

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總結(jié)

PCB層設(shè)計(jì)具體原則：

(1)元件面、焊接面下面為完整的地平面(屏蔽);

(2)盡量避免兩信號(hào)層直接相鄰;

(3)所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰;

(4)高頻、高速、時(shí)鐘等關(guān)鍵信號(hào)布線層要有一相鄰地平面。