PCB部落格 - 電磁相容多層PCB板佈線設計

在 印刷電路板,it is very important to consider the electromagnetic compatibility (EMC) design in the circuit design stage. 以12層板為例, 分層法, 接線規則, 地面和電力線佈局, 電磁相容性. 電磁相容是一門新興的綜合性學科, 主要研究電磁干擾和抗干擾問題. 電磁相容是指在規定的電磁環境水准下, 電子設備或系統的性能指標不會因電磁干擾而降低, 它們自身產生的電磁輻射不超過極限水准, 不影響其他系統的正常運行. 並達到設備與設備之間互不干擾的目的, 制度與制度, 普通可靠的工作. Electromagnetic interference (EMI) is caused by the electromagnetic interference source transferring energy to the sensitive system through the coupling path. 它包括3種基本形式：導線傳導和公共接地, 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. 所以, 確保印刷電路板的電磁相容性是整個系統設計的關鍵. 本文主要討論電磁相容性. 科技及其在多層膜設計中的應用 印刷電路板.

這個 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, 是各種電子設備的基本組成部分. 如今, 大規模和超大規模集成電路已廣泛應用於電子設備中, 以及組件的安裝密度 印刷電路板 越來越高, 訊號的傳送速率越來越快. EMC問題也變得越來越突出. PCB板s are divided into single-sided (single-layer boards), double-sided (double-layer boards) and multi-layer boards. 單面和雙面電路板通常用於低密度和中密度佈線電路以及集成度低的電路, 多層電路板採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. 應用越來越廣泛.

1. Characteristics of multi-layer wiring
The PCB板 由多層結構的有機和無機介電材料組成. 各層之間的連接通過過孔實現, 層間的電信號傳導可以通過用金屬材料電鍍或填充通孔來實現. The reason why multi-layer wiring is widely used has the following characteristics:
(1) There are special power supply layer and ground wire layer inside the multi-layer board. 電源層可用作雜訊回路，以减少干擾； 同時, 電源層還為系統的所有訊號提供回路，以消除共阻抗耦合干擾. 電源線的阻抗降低了, 從而减少共阻抗干擾.
(2) The multi-layer board adopts a special ground layer, 所有訊號線都有一根特殊的接地線. 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, 使用特殊的接地線. 線層新增了訊號線和地線之間的分佈電容, 减少串擾,

2. 複合材料層壓板設計 印刷電路板
2.1.電纜接線規則 PCB板
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傳輸必須具有阻抗路徑. PCB板在高速鐵路系統中，經常使用多層螺旋電纜, 高性能系統, where multiple layers are used for direct current (DC) power or ground reference planes. 這些平面通常是沒有任何分割的實心平面, 因為有足够的層可以用作電源或地平面, 囙此，不需要在同一層上施加不同的直流電壓. 該層將作為相鄰傳輸線上訊號的電流返回路徑. 創建低阻抗電流回路是這些平面層的重要EMC目標. 訊號層分佈在物理參攷平面層之間, 它們可以是對稱帶狀線，也可以是不對稱帶狀線. 以12層板為例，說明多層板的結構和佈局. 它的層次結構是T-P-S-P-S-P-S-P-S-S-P-B, “T”是頂層, “P”是參攷平面層, “S”是訊號層, “B”是最底層. 從頂層到底層是第一層, 第二層, 第12層呢. 頂層和底層用作組件的襯墊, 訊號在頂層和底層的傳播時間不應過長，以减少痕迹的直接輻射. 不相容的訊號線應相互隔離, 其目的是避免相互耦合干擾. 高頻和低頻, 大電流和小電流, 數位和類比信號線不相容. 在組件佈局中, 不相容組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. 小心隔離他們. 設計時, pay attention to the following 3 issues:
(1) Determine which reference plane layer will contain multiple power regions for different DC voltages. 假設第11層上有多個直流電壓, 這意味著設計者必須將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層上面的基準面, 需要縫合電容器, 第3, 5, 7和9是高速訊號的訊號層, 分別地. 重要訊號的記錄道應盡可能沿一個方向佈線，以優化層上可能的記錄道數量. 分佈在不同層上的訊號軌跡應相互垂直, 可以减少線間電場和磁場的耦合干擾. 第3層和第七層可以設定為“東西”軌跡, 而第5層和第9層可以設定為“東西”軌跡. 跑“南北”的路線. 跟踪路由到哪一層取決於它到達目的地的方向.
(2) Layer changes when routing high-speed signals, 哪一層用於獨立佈線, 確保回流電流從一個基準面流向所需的新基准面. 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. 環路輻射與電流強度和環路面積成正比. 事實上, 該設計不需要回流來改變基準面, 但只是從參攷平面的一側改變到另一側. 例如, 訊號層的組合可用作訊號層對：第3層和第5層, 第五層和第七層, 第7層和第9層, 這使得東西方向和南北方向可以形成一個接線組合. 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4層流向8層. 儘管可以在通孔附近放置去耦電容器, 在高頻下，由於存在鉛和過電感，電容器變得無用. 這種接線會新增訊號回路的面積, 這不利於减少電流輻射.
(3) Select the DC voltage for the reference plane layer. 在這個例子中, 電源上有很多譟音/由於處理器內部的信號處理速度很高，囙此接地參攷引脚. 所以, 使用去耦電容器為處理器提供相同的直流電壓非常重要, 並盡可能有效地使用去耦電容器. 降低這些元件的電感的方法是使連接軌跡盡可能短和寬, 並使通孔盡可能短且厚. 如果第2層被指定為“地面”，第4層被指定為處理器的電源, 過孔與放置處理器和去耦電容器的頂層之間的距離應盡可能短. 延伸至電路板底層的剩餘空隙不包含任何顯著電流，且短距離不具有天線效應.

2.2 The 20-H Rule and the 3-W Rule
In the electromagnetic compatibility design of multi-layer PCB板s, 確定電源層和多層板邊緣之間的距離以及計算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小時原理：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. 層之間的這種耦合稱為邊緣效應. 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. 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 close 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發生在10小時左右. 大約10%的磁通量被阻斷, 如果你想達到98%的磁通量是被阻斷的, 你需要一個100%的邊界值. 20-H規則確定電源平面和最近地平面之間的物理距離, 包括銅厚度, 預填充, 以及絕緣隔離層. 使用20小時可以新增PCB本身的諧振頻率.

射頻邊緣效應 PCB板s
3-W rule: When the distance between the two printed lines is small, 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, 任何線之間的距離應保持不小於3倍. 線寬, 就是, not less than 3W (W is the width of printed lines). 列印線寬取決於線路阻抗要求, 過寬會影響佈線密度, 太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, 微分對, 而我/O埠都是3-W原則的基本應用對象. 3-W原理僅代表串擾能量衰减70%的電磁磁通線邊界. 如果要求更高, 如電磁通量的邊界線，保證串擾能量衰减98%, 必須使用10W的間隔.

2.3 Layout of the ground wire
First of all, 建立分佈參數的概念, 超過一定頻率, 任何金屬線都應該被視為由電阻和電感組成的裝置. 所以, 接地線具有一定的阻抗，構成一個電力回路, 無論是單點接地還是多點接地, 它必須在實際接地或機架中形成一個低阻抗回路. 25毫米長的典型軌跡將顯示約15至20毫安培的電感, 分佈電容的存在將在接地層和設備機架之間形成諧振電路. 第二, 當接地電流流過接地線時, 出現傳輸線效應和天線效應. 當線路長度為1時/4波長, 它顯示出高阻抗, 接地線實際上是開著的, 接地線變成了向外輻射的天線, 接地板上充滿了高頻電流和擾動形成的渦流. 所以, 接地點之間形成許多環路, and the diameter of these loops (or ground point spacing) should be less than 1/頻率波長的20. 選擇正確的設備是設計成功的一個重要因素, 尤其是在選擇邏輯設備時, 儘量選擇上升時間大於5ns的邏輯器件, 不要選擇時序比電路要求更快的邏輯器件.

2.4 Arrangement of power cords
For multi-layer boards, 電源層接地結構用於供電. 這種結構的特性阻抗比軌道對小得多, 可以小於1Î. 這種結構有一定的電容, 而且，沒有必要在每個集成晶片旁邊添加高頻去耦電容器. 即使層電容器的電容量不够, 當需要外部去耦電容器時, 不應將其添加到集成晶片旁邊, 但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，供電回路始終存在. 由於“電流總是通過阻抗路徑”的原理, 地面上的高頻回流總是沿著軌跡, 除非有接地間隙來阻擋它, 所以訊號回路總是存在的. 由此可見，與軌對電源相比，電源層接地結構具有佈局簡單靈活、電磁相容性好的優點.

3. Conclusion
In short, 在多層結構的設計中 PCB板s, 組件應成組放置，以防止組間干擾； 高速電路應合理佈置，避免通過電場耦合或磁場耦合與其他電路干擾； 共地線阻抗耦合干擾； 電源回路的面積應在一定程度上减小, 不同電源的供電回路不應重疊，以避免磁場耦合； 不相容的訊號線應相互隔離，以避免耦合干擾； 小訊號環路面積，以减少環路輻射和共模輻射 PCB板.