高速PCB設(shè)計的EMI抑制探討
前面我們從理論上分析了EMI的產(chǎn)生情況,并主要從系統(tǒng)設(shè)計方面考慮了很多實際采用的抑制EMI的手段和方式,這節(jié)里我們將針對高速PCB設(shè)計,來分析如何進(jìn)行EMI控制。
1 傳輸線RLC參數(shù)和EMI
對于PCB板來說,PCB上的每一條走線都可以有用三個基本的分布參數(shù)來對它進(jìn)行描述,即電阻,電容和電感。在EMI和阻抗的控制中,電感和電容的作用很大。
電容是電路系統(tǒng)存儲系統(tǒng)電能的元件。任何相鄰的兩條傳輸線之間,兩層PCB導(dǎo)電層之間以及電壓層和周圍的地平面之間都可以組成電容。在這些所有的電容中,傳輸線和它的回流電流之間組成的電容數(shù)值最大,也數(shù)量最多,因為任何的傳輸線,它都會在它的周圍通過某種導(dǎo)電物質(zhì)形成回流。根據(jù)電容的公式:C=εs/(4kπd),他們之間形成的電容的大小和傳輸線到參考平面的距離成反比,和傳輸線的直徑(橫截面積)成正比。我們都知道,如果電容的數(shù)值越大,那么他們之間存儲的電場能量也越多,換句話說,他往外部泄露系統(tǒng)能量的比率將更少,那么這個系統(tǒng)產(chǎn)生的EMI就會得到一定的抑制作用。
電感是電路系統(tǒng)中存儲周圍磁場能量的元件。磁場是由流過導(dǎo)體的電流產(chǎn)生的感生場。電感的數(shù)值表示它存儲導(dǎo)體周圍磁場的能力,如果磁場減弱,感抗就會變小,感抗變大的時候,磁場就會增大,那么對外的磁能量輻射也會變大,即EMI值越大。所以,如果系統(tǒng)的電感越小,那么就能對EMI進(jìn)行抑制。在低頻情況下,如果導(dǎo)體變短,厚度變大,變寬的時候,導(dǎo)體的電感就會變小,而在高頻情況下,磁場的大小則和導(dǎo)線及其回流構(gòu)成的閉環(huán)面積的函數(shù),如果把導(dǎo)線與其回路靠近,由于回流和本身電流大小相等(在最佳回流狀態(tài))方向相反,所以兩者產(chǎn)生的磁場就會相互抵消,降低了導(dǎo)體的感應(yīng)電感,所以,保持導(dǎo)體上電流和其最佳回流路徑,能夠一定程度的減小EMI。
而在一個實際電路中,導(dǎo)線的電容和電感是融合為一體的,我們?nèi)绻环治鲭娙莼蛘咧豢紤]電感都有些片面,所以我們引入阻抗。阻抗是傳輸線上輸入電壓對輸入電流的比率值(Z0=V/I)。導(dǎo)線和回路之間的阻抗是導(dǎo)線及其回路之間電感和電容的函數(shù),阻抗ZO等于(L/C)1/2。。
通過前面的分析和阻抗ZO的公式,從抑制EMI角度上來說,我們希望阻抗越小越好。當(dāng)阻抗比較小即電容較大和電感較小的時候,我們只要保持電路的正常布線,使電流保持最佳回流路徑,就可以使EMI控制在最小。而當(dāng)電容變小,電感變大,將會使系統(tǒng)屏蔽電磁場能量的能力下降,外泄電磁場能量增加,EMI變大。
2疊層設(shè)計抑制EMI
從前面的分析可以看到,低阻抗的參考平面在抑制EMI中起著至關(guān)重要的作用,因而我們在進(jìn)行疊層設(shè)計時,應(yīng)該特別注重參考平面層的安排。對于PCB板上的信號走線來說,好的分層應(yīng)該是讓所有的信號層兩邊緊挨著電源層或者接地層;從電源來看,好的分層是應(yīng)該把電源與接地層相鄰,且電源和接地層的距離盡可能的小,盡量保證電源和地層上的低阻抗。隨著信號頻率的不斷提高,一般只有6層板以上的多層PCB板才能起到良好的EMI抑制效果。下面,我們以6層板為例,對不同的PCB迭層設(shè)計方案的性能優(yōu)劣做一些比較。
圖1 六層PCB的兩種典型疊層設(shè)計
六層PCB的疊層設(shè)計通常有兩種方案(如圖1所示)。對于第一種方案,我們可以把電源和地分別放在第3和第4層,這一設(shè)計雖然電源覆銅阻抗低,但是由于第1層和第6層為信號層,其電磁屏蔽性能差,導(dǎo)線上的很大一部分磁場都要輻射到外界,換句話說,信號電流和回流信號中,一個處于屏蔽范圍內(nèi),而另一個卻有一半處于屏蔽范圍外,一個處于屏蔽范圍之內(nèi),這樣其實增加了差模EMI。但是如果兩個外層上的信號線數(shù)量最少,走線長度很短(短于信號最高諧波波長的1/20),則這種設(shè)計可以解決差模EMI問題。將外層上的無元件和無走線區(qū)域鋪銅填充并將覆銅區(qū)接地(每1/20波長為間隔),則對差模EMI的抑制特別好。而且我們還可以條件允許的情況下,在信號層的每一層靠邊處鋪設(shè)一圈銅,并且在1/20波長的間距內(nèi)打控,也能很好的防止EMI的泄漏.如前所述,要將鋪銅區(qū)與內(nèi)部接地層多點相聯(lián)。第二種方案就是
評論