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優(yōu)化PCB層設計讓儀表PCB的EMC

2023年01月26日 10:07:42      來源：云南昌暉儀表制造有限公司 >> 進入該公司展臺      閱讀量：26

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希望通過優(yōu)化PCB層設計讓儀表PCB的EMC的文章內(nèi)容，能幫助大家加深對PCB層設計的理解，提前做好PCB的優(yōu)化設計，一勞永逸。
 
在PCB的EMC設計考慮中，首先涉及的便是層的設置； 單板的層數(shù)由電源、地的層數(shù)和信號層數(shù)組成；在產(chǎn)品的EMC設計中，除了元器件的選擇和電路設計之外，良好的PCB設計也是一個非常重要的因素。
 
PCB的EMC設計的關鍵，是盡可能減小回流面積，讓回流路徑按照我們設計的方向流動。而層的設計是PCB的基礎，如何做好PCB層設計才能讓PCB的EMC效果呢？

PCB層的設計思路
PCB疊層EMC規(guī)劃與設計思路的核心就是合理規(guī)劃信號回流路徑，盡可能減小信號從單板鏡像層的回流面積，使得磁通對消或最小化。
1、單板鏡像層
鏡像層是PCB內(nèi)部臨近信號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)中有大電流流動時，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和回流形成的閉合環(huán)的面積，降低了EMI；
③降低串擾：有助于控制高速數(shù)字電路中信號走線之間的串擾問題，改變信號線距鏡像層的高度，就可以控制信號線間串擾，高度越小，串擾越小；
④阻抗控制，防止信號反射。

2、鏡像層的選擇
①電源、地平面都能用作參考平面，且對內(nèi)部走線有一定的屏蔽作用；
②相對而言，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差，同時電源平面上的高頻干擾相對比較大；
③從屏蔽的角度，地平面一般均作了接地的處理，并作為基準電平參考點，其屏蔽效果遠遠優(yōu)于電源平面；
④選擇參考平面時，應優(yōu)選地平面，次選電源平面。

磁通對消原理
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)域是真空還是實體物質。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的信號路徑，則回流路徑上的磁通與信號路徑上的磁通是方向相反的，這時它們相互疊加，則得到了通量對消的效果。

磁通對消的本質就是信號回流路徑的控制，具體示意圖如下：
磁通對消

如何用右手定則來解釋信號層與地層相鄰時磁通對消效果
①當導線上有電流流過時，導線周圍便會產(chǎn)生磁場，磁場的方向以右手定則來確定。
②當有兩條彼此靠近且平行的導線，如下圖所示，其中一個導體的電流向外流出，另一個導體的電流向內(nèi)流入，如果流過這兩根導線的電流分別是信號電流和它的回流電流，那么這兩個電流是大小相等方向相反的，所以它們的磁場也是大小相等，而方向是相反的，因此能相互抵消。


六層板設計實例

1、對于六層板，優(yōu)先考慮方案3；

分析：
①由于信號層與回流參考平面相鄰，S1、S2、S3相鄰地平面，有的磁通抵消效果，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，有的磁通抵消效果和低的電源平面阻抗。
③主電源及其對應的地布在4、5層，層厚設置時，增大S2-P之間的間距，縮小P-G2之間的間（相應縮小G1-S2層之間的間距），以減小電源平面的阻抗，減少電源對S2的影響。

2、在成本要求較高的時候，可采用方案1；

分析：
①此種結構，由于信號層與回流參考平面相鄰，S1和S2緊鄰地平面，有的磁通抵消效果；
②電源平面由于要經(jīng)過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、對于六層板，備選方案4

分析：
對于局部、少量信號要求較高的場合，方案4比方案3更適合，它能提供的布線層S2。

4、最差EMC效果，方案2

分析：
此種結構，S1和S2相鄰，S3與S4相鄰，同時S3與S4不與地平面相鄰，磁通抵消效果差。

PCB層設計具體原則
1、元件面、焊接面下面為完整的地平面(屏蔽)；
2、盡量避免兩信號層直接相鄰；
3、所有信號層盡可能與地平面相鄰；
4、高頻、高速、時鐘等關鍵信號布線層要有一相鄰地平面。
作者：張小林
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