|
|
发表于 2009-2-22 10:36:00
|
显示全部楼层
PCB分层堆叠在控制EMI辐射中的作用和设计技巧
解决EMI问题的办法很多，现代的EMI抑制方法包括：利用EMI抑制涂层、选用合适的EMI抑制零配件和EMI仿真设计等。本文从最基本的PCB布板出发，讨论PCB分层堆叠在控制EMI辐射中的作用和设计技巧。
电源汇流排
在IC的电源引脚附近合理地安置适当容量的电容，可使IC输出电压的跳变来得更快。然而，问题并非到此为止。由於电容呈有限频率响应的特性，这使得电容无法在全频带上生成干净地驱动IC输出所需要的谐波功率。除此之外，电源汇流排上形成的瞬态电压在去耦路径的电感两端会形成电压降，这些瞬态电压就是主要的共模EMI干扰源。我们应该怎麽解决这些问题？
就我们电路板上的IC而言，IC周围的电源层可以看成是优良的高频电容器，它可以收集为干净输出提供高频能量的分立电容器所泄漏的那部份能量。此外，优良的电源层的电感要小，从而电感所合成的瞬态信号也小，进而降低共模EMI。
当然，电源层到IC电源引脚的连线必须尽可能短，因为数位信号的上升沿越来越快，最好是直接连到IC电源引脚所在的焊盘上，这要另外讨论。
为了控制共模EMI，电源层要有助於去耦和具有足够低的电感，这个电源层必须是一个设计相当好的电源层的配对。有人可能会问，好到什麽程度才算好？问题的答案取决於电源的分层、层间的材料以及工作频率(即IC上升时间的函数)。通常，电源分层的间距是6mil，夹层是FR4材料，则每平方英寸电源层的等效电容约为75pF。显然，层间距越小电容越大。
上升时间为100到300ps的器件并不多，但是按照目前IC的发展速度，上升时间在100到300ps范围的器件将占有很高的比例。对於100到300ps上升时间的电路，3mil层间距对大多数应用将不再适用。那时，有必要采用层间距小於1mil的分层技术，并用介电常数很高的材料代替FR4介电材料。现在，陶瓷和加陶塑料可以满足100到300ps上升时间电路的设计要求。
尽管未来可能会采用新材料和新方法，但对於今天常见的1到3ns上升时间电路、3到6mil层间距和FR4介电材料，通常足够处理高端谐波并使瞬态信号足够低，就是说，共模EMI可以降得很低。本文给出的PCB分层堆叠设计实例将假定层间距为3到6mil。
电磁屏蔽
从信号走线来看，好的分层策略应该是把所有的信号走线放在一层或若干层，这些层紧挨著电源层或接地层。对於电源，好的分层策略应该是电源层与接地层相邻，且电源层与接地层的距离尽可能小，这就是我们所讲的“分层＂策略。
PCB堆叠
什麽样的堆叠策略有助於屏蔽和抑制EMI？以下分层堆叠方案假定电源电流在单一层上流动，单电压或多电压分布在同一层的不同部份。多电源层的情形稍後讨论。
4层板
4层板设计存在若干潜在问题。首先，传统的厚度为62mil的四层板，即使信号层在外层，电源和接地层在内层，电源层与接地层的间距仍然过大。
如果成本要求是第一位的，可以考虑以下两种传统4层板的替代方案。这两个方案都能改善EMI抑制的性能，但只适用於板上元件密度足够低和元件周围有足够面积(放置所要求的电源覆铜层)的场合。
第一种为首选方案，PCB的外层均为地层，中间两层均为信号/电源层。信号层上的电源用宽线走线，这可使电源电流的路径阻抗低，且信号微带路径的阻抗也低。从EMI控制的角度看，这是现有的最佳4层PCB结构。第二种方案的外层走电源和地，中间两层走信号。该方案相对传统4层板来说，改进要小一些，层间阻抗和传统的4层板一样欠佳。
如果要控制走线阻抗，上述堆叠方案都要非常小心地将走线布置在电源和接地铺铜岛的下边。另外，电源或地层上的铺铜岛之间应尽可能地互连在一起，以确保DC和低频的连接性。
6层板
如果4层板上的元件密度比较大，则最好采用6层板。但是，6层板设计中某些叠层方案对电磁场的屏蔽作用不够好，对电源汇流排瞬态信号的降低作用甚微。下面讨论两个实例。
第一例将电源和地分别放在第2和第5层，由於电源覆铜阻抗高，对控制共模EMI辐射非常不利。不过，从信号的阻抗控制观点来看，这一方法却是非常正确的。
第二例将电源和地分别放在第3和第4层，这一设计解决了电源覆铜阻抗问题，由於第1层和第6层的电磁屏蔽性能差，差模EMI增加了。如果两个外层上的信号线数量最少，走线长度很短(短於信号最高谐波波长的1/20)，则这种设计可以解决差模EMI问题。将外层上的无元件和无走线区域铺铜填充并将覆铜区接地(每1/20波长为间隔)，则对差模EMI的抑制特别好。如前所述，要将铺铜区与内部接地层多点相联。
通用高性能6层板设计一般将第1和第6层布为地层，第3和第4层走电源和地。由於在电源层和接地层之间是两层居中的双微带信号线层，因而EMI抑制能力是优异的。该设计的缺点在於走线层只有两层。前面介绍过，如果外层走线短且在无走线区域铺铜，则用传统的6层板也可以实现相同的堆叠。
另一种6层板布局为信号、地、信号、电源、地、信号，这可实现高级信号完整性设计所需要的环境。信号层与接地层相邻，电源层和接地层配对。显然，不足之处是层的堆叠不平衡。
这通常会给加工制造带来麻烦。解决问题的办法是将第3层所有的空白区域填铜，填铜後如果第3层的覆铜密度接近於电源层或接地层，这块板可以不严格地算作是结构平衡的电路板。填铜区必须接电源或接地。连接过孔之间的距离仍然是1/20波长，不见得处处都要连接，但理想情况下应该连接。
高速印刷电路板的叠层设计
引言：设计高速印刷电路板，最要紧的是要抓住高速电路板中的设计三要素：一、高速电路板的层叠设计；二、电路板信号线的阻抗控制；三、多负载互联信号线的拓扑结构。如何您在设计高速电路板中考虑了上面的三个最为基本的要素，那就成功了一半。当然，更深入方面也是要时刻的关注，如：各高速互联接口的时序分析；Ghz信号的驱肤效应分析；热分析；电磁辐射分析等等，需要考虑的因数是非常的多。本文将从一个四层板的最为简单的例子出发浅谈高速电路板的层叠设计，以抛砖引玉和大家一起交流提高。
一、叠层设计需要考虑的内容和原则
在叠层设计设计中需要考虑的最基本的内容有：
一、 高速信号层的分布；
二、 地层的分布；
三、 电源层的分布。
如果电路板的层数越多，高速信号层、地层、电源层的排列组合的种类也就越多。就算是简单的四层板也有好几种组合方式（后面专门谈），究竟那种组合最适合你的产品设计，这就需要进行一系列的评估。但总的原则只有两条：
第一条：高速信号线如在外层（TOP／BOTTOM），必须使这些信号线构成微带线。如果高速信号线在内层，必须使这些信号线构成微带线或带状线。
第二条：电源层和地层之间需要良好的耦合，以尽可能的降低电源层和地层之间的阻抗同时增大电源层和地层结构的谐振频率。
二、四层的叠层设计分析
在多层板中最为简单的莫过于四层板了，现在我们就以四层板为例进行叠层设计分析，以抛砖引玉以帮助大家进行6、8、10、12。。。等多层板的叠层设计。
四层板较为简单，常用的叠层的方式只有三种，如下：
TOP ――――――――――――― Signal
Inter1 ――――――――――――― GND
Inter2 ――――――――――――― POWER
BOTTOM ――――――――――――― Signal2
TOP ――――――――――――― Signal1
Inter1 ――――――――――――― POWER
Inter2 ――――――――――――― GND
BOTTOM ――――――――――――― Signal2
TOP ――――――――――――― GND
Inter1 ――――――――――――― Signal1
Inter2 ――――――――――――― GND
BOTTOM ――――――――――――― Signal2
做过四层板的都会知道。大家选用方案一的应该是最多的。那为什么要选它呢？其他都不好吗？其实不然，有时候我用还需要用方案二比较合适自己的产品。当然，方案三是比较差的。那样如何进行选择呢？别忘了上面我们谈到的两个基本原则。
第一条：只要做到GND层、POWER层的完整性不被分割三个叠层方案基本上都可以满足。看来第二条：电源层和地层之间需要良好的耦合，是选择四层线路板的关键。从叠层上看，方案三的电源层和地层的耦合是最差的，可以马上排除。
但方案一、方案二要如何取舍呢？让我们具体的代入线路板的各个参数，如下图：
TOP ――――――――――――― Signal 1.9mi
2116 4.5mil
Inter1 ――――――――――――― GND 1.2mil
Core 44.5 mi
Inter2 ――――――――――――― POWER 1.2mil
2116 4.5mil
BOTTOM ――――――――――――― Signal2 1.9mil
这是一块1.5mm厚50欧线路阻抗控制的四层板，从上面的数据我们可以知道，不管是方案一、还是方案二，电源和地直接的距离都是非常的大44.5mil。为保证电源和地直接的良好耦合，对于方案一而言最好的方式是BOTTOM层的信号线少，可以铺上大面积的地铜和power层耦合良好。对于方案二而言最好的方式是TOP层的信号少，可以铺上大面积的地铜和power层耦合良好。从上面的分析，可以很轻松的得出如下结论：如果我们大部分的高速信号走线能够在TOP处理完，我们应该选用方案一。同样，如果我们大部分的高速信号走线能够在BOTTOM处理完，我们应该选用方案二。
当然，6、8、10、12。。。层的叠层设计需要考虑的就更多了，如果大家有需求，可以到我们的泰齐论坛一起来交流：http://www.i-tech.com.cn/bbs 。
层叠设计----PCB 工程师需要注意的地方
较多的PCB工程师,他们经常画电脑主板,对Allegro等优秀的工具非常的熟练,但是,非常可惜的是,他们居然很少知道如何进行阻抗控制,如何使用工具进行信号完整性分析.如何使用IBIS模型我觉得真正的PCB高手应该还是信号完整性专家,而不仅仅停留在连连线,过过孔的基础上对布通一块板子容易，布好一块好难。
小资料
对于电源、地的层数以及信号层数确定后，它们之间的相对排布位置是每一个PCB工程师都不能回避的话题；
单板 层的排布一般原则：
元件面下面（第二层）为地平面，提供器件屏蔽层以及为顶层布线提供参考平面；
所有信号层尽可能与地平面相邻；
尽量避免两信号层直接相邻；
主电源尽可能与其对应地相邻；
兼顾层压结构对称。
对于母板的层排布，现有母板很难控制平行长距离布线，对于板级 工作频率在50MHZ以上的（50MHZ以下的情况可参照，适当放宽），建议排布原则：
元件面、焊接面为完整的地平面（屏蔽）；
无相邻平行布线层；
所有信号层尽可能与地平面相邻；
关键信号与地层相邻，不跨分割区。
注：具体PCB的层的设置时，要对以上原则进行灵活掌握，在领会以上原则的基础上，根据实际单板的需求，如：是否需要一关键布线层、电源、地平面的分割情况等，确定层的排布，切忌生搬硬套，或抠住一点不放。
以下为单板层的排布的具体探讨：
*四层板，优选方案1，可用方案3
方案 电源层数 地层数 信号层数 1 2 3 4
1 1 1 2 S G P S
2 1 2 2 G S S P
3 1 1 2 S P G S
方案1 此方案四层PCB的主选层设置方案，在元件面下有一地平面，关键信号优选布TOP层；至于层厚设置，有以下建议：
满足阻抗控制芯板（GND到POWER）不宜过厚，以降低电源、地平面的分布阻抗；保证电源平面的去藕效果；为了达到一定的屏蔽效果，有人试图把电源、地平面放在TOP、BOTTOM层，即采用方案2：
此方案为了达到想要的屏蔽效果，至少存在以下缺陷：
电源、地相距过远，电源平面阻抗较大
电源、地平面由于元件焊盘等影响，极不完整
由于参考面不完整，信号阻抗不连续
实际上，由于大量采用表贴器件，对于器件越来越密的情况下，本方案的电源、地几乎无法作为完整的参考平面，预期的屏蔽效果很难实现；方案2使用范围有限。但在个别单板中，方案2不失为最佳层设置方案。
以下为方案2使用案例；
案例（特例）：设计过程中，出现了以下情况：
A、整板无电源平面，只有GND、PGND各占一个平面；
B、整板走线简单，但作为接口滤波板，布线的辐射必须关注；
C、该板贴片元件较少，多数为插件。
分析：
１、由于该板无电源平面，电源平面阻抗问题也就不存在了；
２、由于贴片元件少（单面布局），若表层做平面层，内层走线，参考平面的完整性基本得到保证，而且第二层可铺铜保证少量顶层走线的参考平面；
３、作为接口滤波板，PCB布线的辐射必须关注，若内层走线，表层为GND、PGND，走线得到很好的屏蔽，传输线的辐射得到控制；
鉴于以上原因，在本板的层的排布时，决定采用方案2，即：GND、S1、S2、PGND，由于表层仍有少量短走线，而底层则为完整的地平面，我们在S1布线层铺铜，保证了表层走线的参考平面；五块接口滤波板中，出于以上同样的分析，设计人员决定采用方案2，同样不失为层的设置经典。
列举以上特例，就是要告诉大家，要领会层的排布原则，而非机械照搬。
方案3：此方案同方案1类似，适用于主要器件在BOTTOM布局或关键信号底层布线的情况；一般情况下，限制使用此方案；
*六层板：优选方案3，可用方案1，备用方案2、4对于六层板，优先考虑方案3，优选布线层S2，其次S3、S1。主电源及其对应的地布在4、5层，层厚设置时，增大S2-P之间的间距，缩小P-G2之间的间距（相应缩小G1-S2层之间的间距），以减小电源平面的阻抗，减少电源对S2的影响；
在成本要求较高的时候，可采用方案1，优选布线层S1、S2，其次S3、S4，与方案1相比，方案2保证了电源、地平面相邻，减少电源阻抗，但S1、S2、S3、S4全部裸露在外，只有S2才有较好的参考平面；
对于局部、少量信号要求较高的场合，方案4比方案3更适合，它能提供极佳的布线层S2。
*八层板：优选方案2、3、可用方案1
对于单电源的情况下，方案2比方案1减少了相邻布线层，增加了主电源与对应地相邻，保证了所有信号层与地平面相邻，代价是：牺牲一布线层；对于双电源的情况，推荐采用方案3，方案3兼顾了无相邻布线层、层压结构对称、主电源与地相邻等优点，但S4应减少关键布线；方案4：无相邻布线层、层压结构对称，但电源平面阻抗较高；应适当加大3-4、5-6，缩小2-3、6-7之间层间距；
方案5：与方案4相比，保证了电源、地平面相邻；但S2、S3相邻，S4以P2作参考平面；对于底层关键布线较少以及S2、S3之间的线
间窜扰能控制的情况下此方案可以考虑；
*十层板：推荐方案2、3、可用方案1、4
方案3：扩大3-4与7-8各自间距，缩小5-6间距，主电源及其对应地应置于6、7层；优选布线层S2、S3、S4，其次S1、S5；本方案适合信号布线要求相差不大的场合，兼顾了性能、成本；推荐大家使用；但需注意避免S2、S3之间平行、长距离布线；
方案4：EMC效果极佳，但与方案3比，牺牲一布线层；在成本要求不高、EMC指标要求较高、且必须双电源层的关键单板，建议采用此种方案；优选布线层S2、S3,对于单电源层的情况，首先考虑方案2，其次考虑方案1。方案1具有明显的成本优势，但相邻布线过多，平行长线难以控制；
*十二层板：推荐方案2、3，可用方案1、4、备用方案5
以上方案中，方案2、4具有极好的EMC性能，方案1、3具有较佳的性价比；
对于14层及以上层数的单板，由于其组合情况的多样性，这里不再一一列举。大家可按照以上排布原则，根据实际情况具体分析。
以上层排布作为一般原则，仅供参考，具体设计过程中大家可根据需要的电源层数、布线层数、特殊布线要求信号的数量、比例以及电源、地的分割情况，结合以上排布原则灵活掌握
6层板以后的各个方案在哪?
6层和8层来了
*六层板，优选方案3，可用方案1，备用方案2、4
方案 电源 地 信号 1 2 3 4 5 6
1 1 1 4 S1 G S2 S3 P S4
2 1 1 4 S1 S2 G P S3 S4
3 1 2 3 S1 G1 S2 G2 P S3
4 1 2 3 S1 G1 S2 G2 P S3
*八层板：优选方案2、3、可用方案1
方案 电源 地 信号 1 2 3 4 5 6 7 8
1 1 2 5 S1 G1 S2 S3 P S4 G2 S5
2 1 3 4 S1 G1 S2 G2 P S3 G3 S4
3 2 2 4 S1 G1 S2 P1 G2 S3 P2 S4
4 2 2 4 S1 G1 S2 P1 P2 S3 G3 S4
5 2 2 4 S1 G1 P1 S2 S3 G2 P2 S4
EMC问题
在布板的时候还应该注意EMC的抑制哦！！这很不好把握，分布电容随时存在！！
如何接地!
PCB设计原本就要考虑很多的因素,不同的环境需要考虑不同的因素.另外,我不是PCB工程师,经验并不丰富:)))
地的分割与汇接
接地是抑制电磁干扰、提高电子设备EMC性能的重要手段之一。正确的接地既能提高产品抑制电磁干扰的能力，又能减少产品对外的EMI发射
6层板的每层划分
Recommendations
1. Use horizontal and vertical routing of adjacent layers
2. Providing buried layers for high-speed signals (shield)
3. Don't separate the power and ground planes
4. For a high-performance layout put each signal layer adjacent to at least one power plane
1.元件面、焊接面：敏感信号线
2.第二层、倒数第二层：地／电源层
3.没有电源/地平面隔离的两个信号层的信号走向尽可能的垂直。
应该说6层层板怎么堆栈，与它的阻抗匹配要求是有关系的。当然最基本的要求还是要做到的，比如说Hi-speed signal要走在GND层的邻层。至于当3、4作为信号层是产生的crosstalk是必须避免的。走成垂直的是理想情况，有是平行也不是不可以，但两层的平行线绝对不能重合，否则你的板子 |
|
IP卡
狗仔卡
提升卡
置顶卡
沉默卡
喧嚣卡
变色卡
显身卡