高速PCB设计EMC分析及铺铜方法

665 阅读5分钟

1 GND分析

  • GND分析 image.png
  • 顶层GND image.png image.png

2 电磁兼容

  • 电磁兼容性(EMC)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此,EMC包括两个方面的要求:一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性。

  • 电磁兼容的主要研究对象

      ①各种人为噪声,如输电线电晕噪声、汽车噪声、接触器自身噪声及导体开台时放电引起的噪声、电气机车噪声、城市噪声等。
    
      ②共用走廊内各种公用事业设备(输电线、通信、铁路、公路、石油金属管线等)相互间的影响。
    
      ③超高层建筑、输电线、铁塔等大型建筑物引起的反射问题。
    
      ④电磁环境对人类及各种生物的作用。其中包括强电线等工频场,中、短波及微波电磁辐射的影响。
    
      ⑤核电磁脉冲的影响。高空核爆炸产生的电磁脉冲能大面积破坏地面上的指挥、控制、通信、计算机及报系统。
    
      ⑥探谱(TEMPEST)技术。其实质内容是针对信息设备的电磁辐射与信息泄漏问题,从信息接收和防护两方面所开展的一系列研究工作。
    
      ⑦电子设备的误动作。为了防止误动作,必须采取措施以提高设备的抗干扰能力。
    
      ⑧频谱分配与管理。无线电频谱是一种有限的资源,但不是消耗性的,既要科学地管理,又要充分地利用。
    
      ⑨电磁兼容与测量。
    
      ⑩自然界影响等。
      
    

image.png

  • 提高电磁兼容性的措施

    ①使用完善的屏蔽体可防止外部辐射进入本系统,也可防止本系统的干扰能量向外辐射。屏蔽体应保持完整性,对必不可少的门、缝、通风孔和电缆孔等须妥善处理,屏蔽体要有可靠的接地。
    
    ②设计合理的接地系统,小信号、大信号和产生干扰的电路尽量分开接地,接地电阻尽可能小。
    
    ③使用合适的滤波技术,滤波器的通带经过合理选择,尽量减小漏电损耗。
    
    ④使用限幅技术,限幅电平应高于工作电平,并且应双向限幅。
    
    ⑤正确选用连接电缆和布线方式,必要时可用光缆代替长电缆。
    
    ⑥采用平衡差动电路、整形电路、积分电路和选通电路等技术,
    
    ⑦系统频率分配要恰当。当一个系统中有多个主频信号工作时,尽量使各信号频率避开,甚至避开对方的谐振频率。
    
    ⑧共用走廊的各种设备,在条件许可时,应保持较大的隔距,以减轻相互之间的影响。
    
  • 20-H原则,决定印制线条间的距离,表述如下:所有的具有一定电压的PCB都会向空间辐射电磁能量(如图4a),为减小这个效应,PCB的物理尺寸都应该比最靠近的接地板的物理尺寸小20H(其中H是两层PCB的间距),即3mm左右,这样可使辐射强度下降70%(如图4b)。根据工程实际经验,采用20-H规则后会大大提高PCB的自激频率。20-H原则示意图如图4所示:

image.png

  • 3-W原则,它决定PCB的电源层与边沿的距离,表述如下:当两条印制线的间距较小时,两线之间会发生电磁串扰,从而使电路功能失常。为避免这种影响,应保持任何线条间距不小于三倍的印制线条宽度,即3W,W为印制线条宽度。印制线条的宽度取决于线条阻抗的要求。

  • 保证信号在PCB上可靠的传输,确保信号的完整性。这里面主要的问题一般包括时延、阻抗不匹配、地弹跳、串音等。这不但影响到电子器件的稳定工作,还会产生电磁干扰。一般在高速逻辑设计中最容易碰到时延问题,处理不好会产生不希望的脉冲干扰。传输时延对信号的影响如图5所示。 image.png image.png image.png image.png

  • 注意确定PCB布线层数

      原则:
        (1)电源平面应靠近接地平面并且安排在接地平面之下。这样可以利用两金属平板之间的电容作电源的平滑电容,同时地平面还可以对电源面的辐射电流起到屏蔽的作用。
        (2)数字电路和模拟电路分开。数字地和模拟地之间可以不开槽,但须有一个完整的统一的地平面,且严格按数字部分和模拟部分分区。
        (3)中间层的印制线条形成平面波导,在表面层形成微带线,两者传输特性不同。(4)电路尤其高频电路是主要的干扰和辐射源,一定要单独安排,远离敏感电路。(5)信号面应安排与整块金属平面相邻,这样是为了产生通量对消作用。
        (6)不同层所含的杂散电流和高频辐射电流不同,布线时应区别对待。对于杂散电流可以用去耦电容,对于高频辐射电流可以通过减小回路面积。
        以下是常见的PCB层设计,供参考(S表示信号层,G表示地层,P表示电源层)。四层板:S1,G,P,S2
        六层板:S1,G,S2,P,G,S3
        八层板:S1,G,S2,G,P,S3,G,S4
        十层板:S1,G,S2,S3,G,P,S4,S5,G,S6(但S4对电源噪声敏感)
    

3 铺铜

image.png image.png image.png image.png image.png image.png image.png image.png image.png

  • 挖空铜皮死铜 image.png image.png image.png