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PCB板层布局与EMC的技巧
2019-08-05     浏览:107    评论:0        
导读:从EMC(电磁兼容)设计的角度出发,PCB板的EMC设计是EMC系统设计的基础。而PCB板EMC设计的开始阶段就是层的设置,层设计形式的不合理,就可能产生诸多的噪声而形成EMI干扰和自身的EMC问题,所以合理的层布局与电路设

从EMC(电磁兼容)设计的角度出发,PCB板的EMC设计是EMC系统设计的基础。而PCB板EMC设计的开始阶段就是层的设置,层设计形式的不合理,就可能产生诸多的噪声而形成EMI干扰和自身的EMC问题,所以合理的层布局与电路设计同样重要。

要使PCB系统的层布局达到其电磁兼容性要求,通常系统层布局需要从三点出发:相应的功能模块分布;综合单板的性能指标要求;成本承受能力。PCB板层就是由电源层、地层和信号层组成。层的选择、层的相对位置以及电源、地平面的分割分布将对PCB板的布线、信号质量、接口电路的处理以及对单板的EMC指标起着至关重要作用,也直接影响到整台设备的电磁兼容性。

PCB板层的布局

层数的选择

单板由电源层、地层和信号层组成;层数也就是他们各自的数量总和。根据单板的电源、地的种类、信号线的密集程度、信号频率、特殊布线要求的信号数量、周边要素、成本价格等方面的综合因素来确定单板的层数。要满足EMC的严格指标并且考虑制造成本,适当增加地平面是PCB的EMC设计最好的方法之一。

单板电源层数

单板电源的层数由电源的种类、数量决定。对于单一电源供电的PCB,只需一个电源平面;对于多种电源,如需互不交错,可考虑采取电源层分割;对于电源互相交错的单板,例如器件MPC8260,需要多种电源供电,且互相交错,则必须考虑采用两层或两层以上的电源平面。

信号层数

通常来说,信号层数的确定由单板的功能决定。大多数有经验的CAD工程师通常由EDA软件提供布局、布线密度的参数报告,再结合板级工作频率、特殊布线要求的信号数量以及单板的性能指标与成本承受能力,来确定单板的信号层数。而从EMC的角度,需要考虑关键信号(如时钟、复位信号等)的屏蔽或隔离来确定是否增加单板层数。

层的布局

1.EMC基本原则

关键电源平面与其对应的地平面相邻电源、地平面存在自身的特性阻抗,电源平面的阻抗比地平面阻抗高,将电源平面与地平面相邻可形成耦合电容,并与PCB板上的去耦电容一起降低电源平面的阻抗,同时获得较宽的滤波效果。通过研究发现,门的反转能量首先由电源与地平面之间的电容来提供,其次才由去耦电容决定。

参考面的选择应优选地平面电源、地平面均能用作参考平面,且有一定的屏蔽作用。但相对而言,电源平面具有较高的特性阻抗,与参考电平存在较大的电位差。从屏蔽角度考虑,地平面一般均作接地处理,并作为基准电平参考点,其屏蔽效果远远优于电源平面。

相邻层的关键信号不跨分割区这样将形成较大的信号环路,产生强的辐射和敏感度问题。

元件面下面有相对完整的地平面对多层板必须尽可能保持地平面的完整,通常不允许有信号线在地平面上走线。当走线层布线密度太大时,可考虑在电源平面的边缘走线。

高频、高速、时钟等关键信号有一相邻地平面这样设计的信号线与地线间的距离仅为线路板层间的距离,高频电路将选择环路面积最小的路径流动,因此实际的电流总在信号线正下方的地线流动,形成最小的信号环路面积,从而减小辐射。

在高速电路设计中,避免电源平面层向自由空间辐射能量在这样的设计中,所有的电源平面必须小于地平面,向内缩进20H(H指相邻电源、地平面间的介质厚度)。为了更好地实行20H规则,就要使电源和地平面间的厚度最小。

2.单层板

单板层的布局一般原则:

元件面下面为地平面,提供器件屏蔽层以及为顶层布线提供参考平面;

所有信号层尽可能与地平面相邻;

尽量避免两信号层直接相邻;

主电源尽可能与其对应地相邻;

兼顾层压结构对称。

3.背板

对于背板的层排布,很难控制平行长距离布线,因此对于板级工作频率高于50MHz以上的布局原则为:

元件面、焊接面为完整的地平面(通常可作为屏蔽层来考虑,通过金属化螺钉与机框形成一体的屏蔽层);

无相邻平行布线层;

所有信号层尽可能与地平面相邻;

关键信号与地层相邻,不跨分割区。

4.多层板

对于多层PCB板的分层,如下图所示,从EMC角度出发并综合其它因素,给出优选的层设置如下表所示。

图 多层板PCB布局图

表 多层板布局方案

地平面的EMC主要的目的是提供一个低阻抗的地并且给电源提供最小噪声回流。在实际布线中,两地层之间的信号层、与地层相邻的信号层,是PCB布线中的优先布线层。高速线、时钟线和总线等重要信号,应在这些优先信号层上布线和换层。

四层板布局

优选方案1,次选方案3,见下表。四层PCB示意图如下图所示。

表 四层板布局方案

图 四层PCB板布局示意图

方案1:四层PCB板的优选方案,在元件面下有一地平面,关键信号优选布在顶层。

为了达到一定的屏蔽效果,若采用方案2,把电源、地平面放在顶层和底层,存在电源、地相距过远,电源平面阻抗较大;电源、地平面由于元件焊盘等影响,极不完整。由于参考面不完整,所以信号阻抗不连续。实际上,由于大多数的公司大量采用表面贴器件,对于器件越来越密的情况下,方案的电源、地几乎无法作为完整的参考平面,预期的屏蔽效果很难实现,所以方案2使用范围有限。

方案3:此方案同方案1类似,适用于主要器件在底层布局或关键信号底层布线的情况,此方案情况很少使用。

六层板布局

优选方案3,备选方案4,最差EMC效果,方案2,见下表。

表 六层板布局方案

对于六层板,优先考虑方案3。

PCB的架构分析:

▲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。

▲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。

▲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。

PCB的架构分析:

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。最差EMC效果,方案2。

PCB的架构分析:

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。

八层板布局

优选方案2、3,次选方案1,见下表。

在单一电源的情况下,方案2与方案1相比优势在于没有相邻布线层,主电源与对应地相邻,保证了所有信号层与地平面相邻。缺点是减少了一层布线层。

对于两个电源的情况,推荐采用方案3,其优点:没有相邻布线层;层压结构对称;主电源与对应的地相邻。缺点:在S4应减少关键布线。

表 八层板布局方案

十层板布局

优选方案2、3,次选方案1、4,见下表。

方案2:对于单电源的情况,首选方案2。在成本上考虑可选方案1。

方案3:电源及其对应地放在第六和第七层,优选的布线层为S2、S3、S4;其次为S1、S5。为减少串扰,应避免S2、S3层上有平行、长距离布线。

方案4:从EMC角度考虑,与方案3比,减少了一层布线层。在成本要求不高、EMC指标要求较高、具有两个电源层的关键单板的情况下,可采用这种方案。最优布线层为S2、S3。

对于10层以上的单板,本文不再举列。我们可以按照以上排布原则,依据实际情况来具体分析。主要根据所需的电源层数、布线层数、特殊布线要求信号的数量、电源和地的分割情况,结合以上原则灵活掌握。

表 十层板布局方案

层分布对RE测试的影响

为了体现层布局对EMC的影响,我们主要是针对层布局不同对辐射发射RE的测试产生的影响作了分析。

以测试板为6层板为例,采用第1方案和第3方案进行布局。

从成本考虑采用单板设计:有1层电源层,4层信号层,1层地层。

表 六层板采用方案1、3的层分布

被测件的测试条件:只是给单板滤波后供48V直流电,单板使用软件自环运行,只是更换单板部分层布局,其他部分完全不变,单板若干块。

测试场地条件:升降塔的天线高度为1m,天线垂直极化,单板被放在80cm高的转台桌面上,不转动转台和天线塔,单板的元器件面正对天线,每块单板测试位置固定(如下图所示)。

图 测试示意图

测试数据(见下图):

第一张图中,方案1单板布局为电源输入-48V在顶层布线,电源地BGND在底层布线,第二层为完整的GND,第五层为电源层,并作分割。

第二张图中,方案1单板布局为信号层在三、四层布线,同时电源输入-48V、地BGND也在三、四层布线,第二、五层分别是完整的GND、VCC。

图 方案1单板RE测试结果(1)

图 方案1单板RE测试结果(2)

从测试结果很明显看出,布局方案3(如下图所示)在EMC测试的RE测试项目中,辐射发射很小,电源地阻抗对电源辐射起着主要的作用,电源地阻抗低时,低端辐射明显减小。电源在表层比在内层的低端辐射大,再次证实了单板的层布局不同对EMC性能会产生很大影响。

图 方案3单板RE测试结果
 

 

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