PCB新聞 - 基於電磁相容科技的佈線設計

多層電路板 裝電線 PCB設計method based on electromagnetic compatibility technology
Electromagnetic Compatibility (Electro-Magnetic Compatibility, EMC for short) is an emerging comprehensive discipline, 主要研究電磁干擾和抗干擾問題. 電磁相容性是指電子設備或系統在規定的電磁環境水准下不會因電磁干擾而降低性能指標, 它們產生的電磁輻射不大於極限水准, 並且不影響其他系統的正常運行. 實現設備與設備之間的互不干擾, 系統和系統, 並可靠地協同工作. Electromagnetic interference (EMI) is caused by electromagnetic interference sources transmitting energy to sensitive systems through coupling paths. 它包括3種基本形式：導線傳導和公共地線, 通過空間輻射或近場耦合. 實踐證明，即使電路原理圖設計正確，印刷電路板設計不當, 這將對電子設備的可靠性產生不利影響. 因此, 確保印刷電路板的電磁相容性是整個系統設計的關鍵. This article mainly discusses electromagnetic compatibility Technology and its application in multi-layer printed circuit board (Printed Circuit Board, PCB for short) design. 文章引自深圳宏利捷電子!

PCB板 是電子產品中電路元件和器件的支持. 它提供電路組件和設備之間的電力連接，是各種電子設備的最基本組件. 現今, 大規模和超大規模集成電路已廣泛應用於電子設備中, 印刷電路板上元件的安裝密度越來越高, 訊號傳送速率越來越快. EMC問題越來越突出. PCB has single-sided board (single-layer board), double-sided board (double-layer board) and multi-layer board. 單板和雙板通常用於中低密度佈線電路和低集成度電路, 多層電路板使用高密度佈線和高集成度電路. 從電磁相容的角度, 單面和雙面電路板不適用於高速電路. 單面和雙面佈線已不能滿足高性能電路的要求. 多層佈線電路的發展為解决上述問題提供了可能性. 應用越來越廣泛.

1多層佈線的特點

PCB由具有多層結構的有機和無機介電材料組成。 層之間的連接通過通孔實現。 通孔鍍有或填充有金屬材料，以實現層間的電信號傳導。 多層佈線被廣泛使用的原因有以下特點：

（1）在多層板內部提供專用電源層和接地層。 功率層可用作雜訊回路，以减少干擾； 同時，功率層還為系統中的所有訊號提供回路，以消除共阻抗耦合干擾。 降低電源線的阻抗，從而减少共阻抗干擾。

（2）多層板使用專用接地層，所有訊號線都有專用接地線。 訊號線的特點：阻抗穩定，易於匹配，减少反射引起的波形失真； 同時，特殊接地層的使用新增了訊號線和接地線之間的分佈電容，並减少了串擾。

2印刷電路板的層壓設計

2.1 PCB佈線規則

多層電路板的電磁相容性分析可以基於基爾霍夫定律和法拉第電磁感應定律。 根據基爾霍夫定律，從源到負載的任何時域訊號必須具有阻抗最低的路徑。

多層PCB通常用於高速、高性能系統，其中多層用於直流電源或接地基準面。 這些平面通常是沒有任何分割的實心平面，因為有足够的層用於電源或接地，囙此無需在同一層上施加不同的直流電壓。 該層將用作相鄰傳輸線上訊號的電流返回路徑。 構建低阻抗電流回路是這些平面層最重要的EMC目標。

訊號層分佈在物理參攷平面層之間，可以是對稱帶狀線和非對稱帶狀線。 以12層板為例，說明多層板的結構和佈局。 分層結構為T-P-S-P-S-P-S-P-S-S-P-B，“T”為頂層，“P”為基準面層，“S”為訊號層。 “B”是最底層。 從頂層到底層是第一層、第二層和第十二層。 頂層和底層用作組件的襯墊。 訊號不應在頂層和底層之間傳輸太長時間，以减少痕迹的直接輻射。 不相容的訊號線應相互隔離。 這樣做的目的是避免彼此之間的耦合干擾。 高頻和低頻、大電流和小電流、數位和類比信號線不相容。 在元件佈局中，不相容元件應放置在印製板上的不同位置。 訊號線的佈局仍然是必要的。 小心隔離它們。 設計時應注意以下3個問題：

（1）確定哪個參攷平面層將包含不同直流電壓的多個電源區域。 假設第11層具有多個直流電壓，這意味著設計者必須使高速訊號盡可能遠離第10層和底層，因為回流電流不能流過第10層上方的基準面，並且需要縫合電容器。 第5、7和9層是用於高速訊號的訊號層。 重要訊號的軌跡應盡可能沿一個方向佈置，以優化層上可能的軌跡通道數量。 分佈在不同層上的訊號軌跡應相互垂直，這樣可以减少線間電場和磁場的耦合干擾。 第3層和第7層可以設定為“東西”軌跡，第5層和第9層設定為“南北”路線。 布層取決於到達目的地的方向。

（2）在高速訊號佈線期間，層會發生變化，以及哪些不同的層用於獨立佈線，以確保回流電流根據需要從基準面流向新的基準面。 這是為了减少訊號回路面積，减少回路的差模電流輻射和共模電流輻射。 回路輻射與電流強度和回路面積成正比。 事實上，最佳設計不需要返回電流來改變基準面，而只是從基準面的一側改變到另一側。 例如，訊號層的組合可以用作訊號層對：第3層和第5層、第5層和第7層、第7層和第9層，這允許東西方向和南北方向形成佈線組合。 但不應使用第3層和第9層的組合，因為這需要回流電流從第4層流向第8層。 雖然去耦電容器可以放置在通孔附近，但在高頻下，由於存在引線和通孔電感，電容器是無用的。 這種佈線會新增訊號回路的面積，不利於减少電流輻射。

（3）選擇參攷平面層的直流電壓。 在本例中，由於處理器內部的信號處理速度很高，電源/接地參攷引脚上存在大量雜訊。 囙此，使用去耦電容器為處理器提供相同的直流電壓，並盡可能有效地使用去耦電容器，這一點非常重要。 降低這些元件電感的最佳方法是連接軌跡盡可能短和寬，並使通孔盡可能短和厚。

如果第二層被分配為“地”，第四層被分配為處理器的電源，則過孔應盡可能短於放置處理器和去耦電容器的頂層。 延伸至電路板底層的剩餘空間不包含任何重要電流，並且短距離不具有天線效應。 錶1列出了堆疊設計佈局的參攷配寘。

2.2 20-H規則和3-W規則

In the electromagnetic compatibility design of the 多層PCB板, 確定多層板的功率層與邊緣之間的距離和求解列印條之間的距離有兩個基本原則：20-H規則和3-W規則.

20-H原理：由於磁通量之間的連接, 射頻電流通常存在於功率平面的邊緣. 這種層間耦合稱為邊緣效應. 當使用高速數位邏輯和時鐘訊號時, 動力面將相互作用. 耦合射頻電流, 如圖1所示. 為了减少這種影響, the physical size of the power plane should be at least 20H smaller than the physical size closest to the ground plane (H is the distance between the power plane and the ground plane). 電源的邊緣效應通常在10小時左右發生, 當大約10%的磁通量被阻斷時20小時, 如果你想達到98%的磁通量被阻斷, 你需要一個100%的邊界值, 如圖1所示. 20-H規則確定電源平面和最近接地層之間的物理距離. 該距離包括銅厚度, 預填充, 和絕緣隔離層. 使用20小時可以新增PCB本身的諧振頻率.
3-W規則：當兩條列印線之間的距離很小時, 兩條線路之間會發生電磁串擾, 這將導致相關電路故障. 為了避免這種干擾, 保持任何行距不小於列印線寬的3倍, 那就是, not less than 3W (W is the printed line width). 列印線的寬度取決於線阻抗的要求. 過寬會影響佈線密度, 過窄會影響傳輸到終端的訊號的完整性和强度. 時鐘電路的佈線, 差分對, 而我/O埠都是3-W原則的基本應用對象. 3-W原理僅表示串擾能量衰减70%的電磁磁通線邊界. 如果要求更高, 例如，串擾能量衰减衰减98%的電磁通量邊界線, 必須採用10W的間隔.

2.3地線的佈置

首先，我們必須建立分佈參數的概念。 當頻率高於某一頻率時，任何金屬導線都必須視為由電阻和電感組成的器件。 囙此，接地導線具有一定的阻抗，並構成一個電力回路。 無論是單點接地還是多點接地，都必須形成一個低阻抗回路，以進入實際接地或機架。 長度為25mm的典型列印線將顯示約15-20nH的電感。 隨著分佈電容的存在，接地板和設備機架之間將形成諧振電路。 其次，當接地電流流過地線時，會產生傳輸線效應和天線效應。 當線路長度為1/4波長時，它顯示出高阻抗，接地線實際上是一個開路，接地線變成向外輻射的天線。 最後，接地板充滿高頻電流和干擾形成的渦流。 囙此，接地點之間形成許多回路。 這些環路的直徑（或接地點之間的距離）應小於最高頻率波長的1/20。 選擇正確的設備是設計成功的重要因素。 特別是在選擇邏輯器件時，儘量選擇上升時間大於5ns的邏輯器件。 切勿選擇時序快於電路要求的邏輯設備。

2.4電源線的佈置

對於多層板，電源層接地層結構用於供電。 這種結構的特性阻抗遠小於軌道對的特性阻抗，其可以小於1Î）。 這種結構具有一定的電容，並且不需要在每個集成晶片旁邊添加高頻去耦電容。 即使層電容器的容量不够，當需要外部去耦電容器時，也不應將其添加到集成晶片旁邊，而是可以添加到印製板上的任何位置。 集成晶片的電源引脚和接地引脚可以通過金屬化通孔直接連接到電源層和接地層，囙此電源回路總是最小的。 由於“電流總是通過阻抗最小的路徑”的原則，地面上的高頻回流總是靠近軌道，除非有障礙物阻擋地面，囙此訊號回路總是最小的。 可以看出，與軌道電源相比，功率層分層結構具有佈局簡單靈活、電磁相容性好的優點。