如何設(shè)計(jì)用于EMI的PCB基本疊層

本系列的第1部分描述了數(shù)字信號(hào)如何通過(guò)PC板傳播[參考文獻(xiàn)1]。 1,2,5,6]。在第2部分中，我們將研究特定的電路板設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)低EMI。我在客戶的電路板設(shè)計(jì)中看到的最大問(wèn)題是層疊不良。

重申第1部分中的兩個(gè)基本規(guī)則并實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)電源（瞬態(tài)）是在電介質(zhì)層中移動(dòng)的電磁波，我們看到PC板設(shè)計(jì)有兩個(gè)非常重要的原則：

PC板上的每個(gè)信號(hào)和電源走線（或平面）都應(yīng)該

傳輸線中的數(shù)字信號(hào)傳播實(shí)際上是銅跡線和GRP之間空間中電磁場(chǎng)的移動(dòng)。

要構(gòu)建傳輸線，你需要兩個(gè)相鄰的金屬片來(lái)捕獲或包含場(chǎng)地。例如，相鄰接地返回平面（GRP）上的微帶線或與GRP相鄰的帶狀線或與GRP相鄰的功率跡線（或平面）。例如，在電源和接地參考平面之間定位多個(gè)信號(hào)層將導(dǎo)致快速信號(hào)的真正EMI問(wèn)題。觀察這兩個(gè)規(guī)則將決定層疊。

換句話說(shuō)，每個(gè)信號(hào)或功率跟蹤（路由功率）必須具有相鄰的GRP，并且所有功率平面應(yīng)具有相鄰的GRP。多個(gè)GRP應(yīng)與拼接過(guò)孔矩陣連接在一起。在本文中，我們將研究幾種堆疊設(shè)計(jì)。

典型的六層設(shè)計(jì)（Altium）
我經(jīng)?？吹降囊粋€(gè)疊加是這個(gè)六層設(shè)計(jì)（圖1）。這在20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初可能運(yùn)行良好，但是今天的速度和混合信號(hào)技術(shù)要快得多，這是EMI災(zāi)難的秘訣。這有兩個(gè)問(wèn)題：底部的兩個(gè)信號(hào)層以電源平面為參考，電源和接地返回平面不相鄰且距離太遠(yuǎn)。

圖1.一種非常常見(jiàn)但很差的EMI疊層設(shè)計(jì)（6層示例）。信號(hào)層4和6以功率為參考，而GRP和功率平面不相鄰，其間有兩個(gè)信號(hào)層。這將耦合這兩個(gè)信號(hào)層上的電源瞬變。

除少數(shù)例外（一些DDR RAM電源和信號(hào)（例如）電流想要返回其源，這些源以GRP為參考。將這些信號(hào)引用到電源平面是非常具有EMI風(fēng)險(xiǎn)的，因?yàn)闆](méi)有明確定義的返回路徑，除了通過(guò)平面到平面的電容，在這種情況下相對(duì)較小。此外，返回路徑中的這些間隙導(dǎo)致場(chǎng)泄漏到電路板介電層的其他區(qū)域。反過(guò)來(lái)，這會(huì)導(dǎo)致交叉耦合和輻射EMI。

當(dāng)我們將功率和GRP分成兩個(gè)信號(hào)層時(shí)，會(huì)出現(xiàn)第二個(gè)問(wèn)題。任何電網(wǎng)瞬變都將在介電層內(nèi)交叉耦合，沿著路徑耦合到層3和4上的任何信號(hào)跡線。如果這些平面間隔超過(guò)3-4密耳，您也會(huì)失去任何平面到平面的電容效益。

以下是幾個(gè)想法適用于符合數(shù)字信號(hào)傳播傳輸線方面的PC板疊加。

四層板：設(shè)計(jì)1
良好的四層電路板堆疊，可提高EMI（圖2）。我們使用路由或傾倒功率以及第2層和第3層上的信號(hào)來(lái)代替電源平面。因此，每個(gè)信號(hào)/功率跡線與GRP相鄰。此外，只要兩個(gè)GRP通過(guò)拼接過(guò)孔矩陣連接在一起，就可以輕松地在所有層之間運(yùn)行過(guò)孔。如果沿著周邊（例如，每隔5mm）運(yùn)行一排縫合過(guò)孔，則會(huì)形成法拉第籠。

圖2.這種良好的四層電路板疊層可提高EMI，使信號(hào)和布線功率保持在接地參考平面附近。

四層板：設(shè)計(jì)2
另一方面，如果您更愿意訪問(wèn)信號(hào)和路由/傾倒的電源線，您可以簡(jiǎn)單地反轉(zhuǎn)層對(duì)，這樣兩個(gè)GRP層位于中間，兩個(gè)信號(hào)層位于中間在頂部和底部，具有布線功率和足夠的去耦電容，而不是電源平面（圖3）。

圖3.這種用于改善EMI的良好的四層電路板疊層將接地參考平面放置在電路板內(nèi)。結(jié)果

對(duì)于這兩種設(shè)計(jì)，您希望運(yùn)行一種縫合過(guò)孔圖案，將兩個(gè)GRP連接起來(lái)，最大距離為1厘米。

八層板（Altium）
四層和八層板設(shè)計(jì)（圖4）遵循保持良好傳輸線設(shè)計(jì)的兩個(gè)基本規(guī)則。此外，對(duì)于八層設(shè)計(jì)，功率和GRP平面現(xiàn)在相距4密耳，提供相當(dāng)好的平面到平面電容。更接近甚至?xí)?。例如?密耳至3密耳的間隔對(duì)于最小化EMI是理想的。所有GRP應(yīng)與1 cm的過(guò)孔圖案拼接在一起。

圖4.良好的EMI疊層設(shè)計(jì)（8層示例）。所有信號(hào)層都參考相鄰的GRP，而功率也參考相鄰的GRP。

當(dāng)然，在信號(hào)和GRP或功率和GRP之間創(chuàng)建正確的傳輸線對(duì)還有很多次迭代。

兩層電路板怎么樣？
簡(jiǎn)單，只需在第1層運(yùn)行信號(hào)和路由電源，并在第2層使用GRP。那么，這可能適用于昨天的技術(shù)。在今天的技術(shù)中，我們經(jīng)常需要使用至少兩層來(lái)運(yùn)行信號(hào)。答案是在兩條信號(hào)走線之間運(yùn)行“三聯(lián)體”和接地回路（圖5）。這是恩智浦半導(dǎo)體高級(jí)應(yīng)用工程師Daniel Beeker的一個(gè)想法[參考文獻(xiàn)5]。

圖5.信號(hào)路由三元組的示例，以及嘗試保留路由功率的傳輸線原理。禮貌：Daniel Beeker，恩智浦半導(dǎo)體

在這里，我們看到了保護(hù)路由功率的傳輸線特性。該示例還顯示了模擬信號(hào)跡線，它們之間具有接地返回跡線 - 路由“三重態(tài)”。由于在每個(gè)信號(hào)走線和返回走線之間充分捕獲電磁場(chǎng)，因此幾乎沒(méi)有場(chǎng)泄漏。

如果您愿意要了解更多有關(guān)在PC板上設(shè)計(jì)EMI合規(guī)性的信息，我還建議Rick Hartley作為他為期2天的研討會(huì)的優(yōu)秀來(lái)源（參考文獻(xiàn)6）。最后，我要感謝Ralph Morrison，Dan Beeker和Rick Hartley，他們真正教我電路板中的快速信號(hào)[參考文獻(xiàn)3,4,5,6]。

本系列的第3部分將討論電路部分的劃分，高速走線的布線以及一些其他布局實(shí)踐，以幫助降低EMI。