PCB EMC問題：最常見的返回路徑不連續(xù)資料下載

確定最佳印刷電路板布局的關(guān)鍵之一是了解信號(hào)返回電流的實(shí)際流動(dòng)方式和方向，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員只考慮信號(hào)電流的流向(顯然是在信號(hào)跡線上)，而忽略了返回電流所經(jīng)過的路徑。 為了解決上述問題，我們必須了解高頻電流是如何在導(dǎo)體中流動(dòng)的。 首先，最低阻抗的返回路徑是在信號(hào)跡線正下方的平面上(不管這是電源還是地平面)，因?yàn)檫@提供了最低的電感路徑，這也產(chǎn)生了最小的電流環(huán)路面積可能。 其次，由于“集膚效應(yīng)”，高頻電流不能穿透導(dǎo)體，因此高頻時(shí)導(dǎo)體中的所有電流都是表面電流。 這種影響將發(fā)生在所有頻率超過30MHz的1盎司銅層，因此，PCB中的平面實(shí)際上是兩個(gè)導(dǎo)體而不是一個(gè)導(dǎo)體。 在平面的上表面會(huì)有電流，在平面的下表面會(huì)有不同的電流或者根本沒有電流。 當(dāng)現(xiàn)有返回路徑出現(xiàn)不連續(xù)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的EMC問題。這些不連續(xù)性導(dǎo)致回流電流在更大的回路中流動(dòng)，從而增加了電路板的輻射，增加了相鄰線路之間的串?dāng)_，造成波形失真。 此外，在恒阻抗pcb板中，返回路徑的不連續(xù)性會(huì)改變線路的特性阻抗。 下面討論最常見的返回路徑不連續(xù)。 地面/電源平面的開槽。當(dāng)一根跡線通過相鄰電源或接地線面上的槽時(shí)，為了繞過槽返回電流從跡線的下方轉(zhuǎn)向，這使得它流經(jīng)更大的環(huán)路。槽越長，環(huán)路面積越大。 關(guān)于地面上的開槽，我能說的最重要的一點(diǎn)就是不要它們！如果你有開槽，確保在相鄰的層上沒有跡線跨過它們。 如果你一定要跨過電源或地平面上的槽來傳送信號(hào)，則在槽上放幾個(gè)小的縫補(bǔ)電容，在線的兩邊各放一個(gè)(0.001或0.01 uF就足夠了)。這將為返回電流跨過槽提供高頻連續(xù)性，為了保證效果電容應(yīng)該位于跡線0.1”的距離以內(nèi)。 分割的地/電源平面。當(dāng)跡線穿過相鄰平面上的分割線時(shí)，如下面所示的4層板示例，返回的當(dāng)前路徑將被中斷。 電流必須找到另一種方式跨過分割槽，這迫使它在一個(gè)更大的環(huán)路中流動(dòng)。 在上面的示例中回流將通過最近的去耦電容走到實(shí)體的地平面，然后在分割槽的另一邊回流必須找到另一個(gè)去耦電容以回到與跡線相鄰的電源平面。 電源平面和地平面之間的平面間電容太小，除非在頻率大大超過500MHz的情況下才有效，解決這一問題的最佳方案是避免關(guān)鍵信號(hào)跨分割。 在上面的例子中，信號(hào)應(yīng)該在底層信號(hào)層上進(jìn)行布線，因?yàn)榈讓有盘?hào)層與實(shí)地平面相鄰。 如果信號(hào)線必須跨平面分割，在分割平面上放置幾個(gè)小的縫補(bǔ)電容，在跡線的兩邊各放一個(gè)。這將為跨分割提供高頻連續(xù)性，同時(shí)保持兩個(gè)分割平面之間的直流隔離。電容器應(yīng)位于離跡線0.1”以內(nèi)，并根據(jù)信號(hào)的頻率取值0.001到0.01 uF。 然而，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是一個(gè)理想的解決方案。因?yàn)榉祷仉娏鳜F(xiàn)在必須通過一個(gè)via、一個(gè)trace、一個(gè)安裝焊盤、一個(gè)電容、一個(gè)安裝焊盤、一個(gè)trace，最后一個(gè)via到另一個(gè)分割面。這在返回路徑增加了相當(dāng)大的額外電感 (最小5至10 nH)。 如果在上面的例子中電源平面和地平面都分割了，你就真的有麻煩了，把電流如何通過分割平面邊界的問題留給你們?nèi)ソ鉀Q。 在某些情況下，它可能會(huì)徑直回到電源。如果你有一個(gè)分割的電源平面和分割的地平面唯一可接受的解決方案可能是確保沒有信號(hào)跡線跨越分割的平面邊界。 換參考平面。當(dāng)一個(gè)信號(hào)跡線在PCB上從一個(gè)層換到另一個(gè)層時(shí)，由于返回電流也必須改變參考平面(見下面右圖)，所以返回電流路徑被中斷。 問題就變成了返回電流如何從一個(gè)平面到達(dá)另一個(gè)平面？ 就像上面提到的分割平面一樣，平面間電容通常不會(huì)大到足以產(chǎn)生作用，所以為了換參考面，回流電流必須流經(jīng)最近的去耦電容。這顯然增加了環(huán)路面積，由于前面所述的所有原因這是不可取的。 解決這個(gè)問題的一個(gè)辦法是盡量避免關(guān)鍵信號(hào)(如時(shí)鐘)換參考平面。如果你必須從一個(gè)電源平面切換到一個(gè)接地平面，你應(yīng)該靠近信號(hào)過孔放置一個(gè)額外的去耦電容，以為信號(hào)回流在兩個(gè)平面之間提供一個(gè)高頻電流路徑。 然而這依然不是一個(gè)理想的解決方案。因?yàn)楝F(xiàn)在的回流電流必須通過一個(gè)過孔、一段走線、一個(gè)安裝焊盤、一個(gè)電容、一個(gè)安裝焊盤，一段走線，最后一個(gè)過孔到另一個(gè)平面。這在返回路徑增加了相當(dāng)大的額外電感(通常5到10 nH)。 注意：如果兩個(gè)參考平面是同一類型的(兩個(gè)電源，或兩個(gè)接地)，您可以在緊鄰信號(hào)過孔處放置一個(gè)過孔(接地到地或電源到電源)，而不是一個(gè)電容。這是一個(gè)比使用電容更好的把兩個(gè)平面連接在一起的解決方案，因?yàn)樵诜祷芈窂皆黾拥碾姼袑⒋蟠鬁p少。 參考同一平面的頂層和底層。當(dāng)一個(gè)信號(hào)換層，并先參考同一平面的頂層然后參考底層時(shí)，我們?nèi)匀灰獑柗祷仉娏魇侨绾螐钠矫娴捻攲拥降讓拥摹Ｓ捎凇凹w效應(yīng)”電流不能穿透平面，它只能在平面的表面流動(dòng)。 為了打一個(gè)信號(hào)過孔穿過一個(gè)平面，必須在平面上提供一個(gè)間隙孔，否則信號(hào)將被短路到參考平面。間隙孔提供了一個(gè)連接平面頂層和底層的表面，并提供了一個(gè)回流電流從平面頂層流向平面底層的路徑(見上面左圖)。 因此，當(dāng)一個(gè)信號(hào)通過一個(gè)過孔并繼續(xù)在同一平面的另一側(cè)走線時(shí)，返回電流不連續(xù)性不存在。因此，如果必須使用兩個(gè)走線層，這是布關(guān)鍵信號(hào)的首選方法。 總結(jié) 高速時(shí)鐘和其它關(guān)鍵信號(hào)應(yīng)按下面規(guī)則布線（按優(yōu)先順序）： 1、與平面相鄰的層布線； 2、與同一平面相鄰的兩層布線； 3、在與同一類型的兩個(gè)獨(dú)立平面(接地或電源)相鄰的兩層上布線，并且在信號(hào)換參考面的地方用過孔將兩個(gè)平面連接起來； 4、在與兩個(gè)不同類型的獨(dú)立平面(地面和電源)相鄰的兩層上布線，并且在信號(hào)換參考面的地方用電容將兩個(gè)平面連接起來。 避免時(shí)鐘或其它關(guān)鍵信號(hào)跨相鄰平面的槽或分割。上述準(zhǔn)則對所有承載高頻信號(hào)的pcb都很重要，但對于具有恒定阻抗傳輸線的電路板來說則是非常重要的。 如果遵循本系列文章中關(guān)于層疊和避免返回電流不連續(xù)的指導(dǎo)原則， 將生產(chǎn)出更好的pcb，并避免與電路板相關(guān)的許多最常見的EMC問題。它不會(huì)向你保證是一個(gè)完美的PCB 布局，因?yàn)樗x減少發(fā)射、提高抗擾度和改善電路板信號(hào)質(zhì)量還有一段很長的路要走。 相關(guān)閱讀： 本文轉(zhuǎn)載自： EDA365電子論壇（作者：余平放版主） 免責(zé)聲明：本文為轉(zhuǎn)載文章，轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息，版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。 (mbbeetchina)