亚博到账速度|教你利用PCB分层堆叠控制EMI辐射

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本文摘要:解决EMI问题的方法有很多。

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解决EMI问题的方法有很多。现代的电磁干扰感应方法包括:使用电磁干扰感应涂层、匹配合适的电磁干扰感应部件和电磁干扰建模设计等。本文从最基本的PCB布板入手,探讨了PCB分层填充在控制电磁干扰电磁辐射中的作用和设计技巧。

如果将电源母线合理地移到IC电源槽附近有必要容量的电容上,IC输入电压的跳变会比IC慢很多。然而,问题并不止于此。由于圆形有限频率响应的特性,电容器不能在整个频带内灵活分解驱动集成电路输入所需的谐波功率。此外,电源总线上形成的瞬态电压不会在去耦路径的电感两端形成电压偏差,这些瞬态电压是主要的共模电磁干扰源。

应该如何解决这些问题?就我们电路板上的IC而言,IC周围的电源层可以看作是一个优秀的高频电容,它可以收集共存电容泄漏的能量,这些电容获得高频能量用于整齐输入。另外,好的电源层电感小,所以电感产生的瞬态信号也小,从而降低了共模EMI。当然,电源层与IC电源槽的连接必须尽可能短,因为数字信号的下降沿越来越快,最糟糕的是必须连接到IC电源槽所在的焊盘,这需要单独辩论。

为了控制共模电磁干扰,电源层应该有利于去耦,并具有足够的低电感。这个电源层必须是设计良好的电源层屏蔽。可能有人会问,有多好?问题的答案与电源的分层、层间材料、工作频率(即IC上升时间的作用)不同。

一般来说,电源层之间的距离为6密耳,夹层为FR4材料,因此电源层每平方英寸的等效电容约为75pF。似乎层间距越小,电容越大。

上升时间在100-300ps的器件不多,但是按照现在IC的发展速度,上升时间在100-300ps的器件会占据很高的比例。对于上升时间为100至300ps的电路,对于大多数应用而言,3mil层间间距仍然受限。当时适当使用层间距小于1ml的叠层技术,然后用高介电常数的材料代替FR4介质材料。

现在,陶瓷和特殊陶瓷涂料可以满足100至300ps上升时间电路的设计抑制。虽然未来可能会使用新的材料和方法,但对于当今罕见的1-3n上升时间电路、3-6密耳层间间距和FR4介电材料,通常高端谐波得到充分处理,瞬态信号足够低,即共模电磁干扰可以非常低。本文中,PCB分层填充设计示例将假设层间距为3至6密耳。

电磁屏蔽从信号回线的角度来看,好的分层策略应该是把所有的信号回线都放在一层或几层上,靠近电源层或接地层。对于供电来说,好的分层策略应该是供电层与邻层相邻,供电层与邻层的距离尽可能小,这就是我们所说的“分层”策略。PCB填充中有什么填充策略有助于屏蔽和诱发EMI?以下分层填充方案假设电源电流在单层中流动,在同一层的不同部分产生单个电压或多个电压。几天后将讨论多个电源层的情况。

四层板的设计没有潜在的问题。首先,传统的四层板厚度为62mil,即使信号层在外层,电源层和连接层在内层,电源层和连接层之间的距离仍然太大。如果首先考虑成本抑制,可以考虑传统4层板的以下两种替代方案。

这两种方案都可以提高电磁干扰感应性能,但前提是电路板上的元件密度足够低,并且元件周围有足够的区域(放置电源的废弃覆铜层)。第一个是可选的,印刷电路板的外层是接地的
与传统4层板相比,改进较小,层间电阻与传统4层板一样好。如果要控制回线的电阻,上述填充方案要仔细安排好电源下面的布线和接地的铜岛。此外,地层上的电源或铜岛不应尽可能点对点连接在一起,以确保DC和低频之间的连通性。

6层板如果4层板上的元器件密度比较高,6层板最差。但6层板设计中的一些叠片方案,对电磁场屏蔽太好,对降低电源母线的瞬态信号作用不大。

下面将讨论两个例子。第一种情况,电源和地分别放在二楼和五楼。由于电源的铜电阻较低,所以对共模EMI电磁辐射的控制非常有利。

但是从信号电阻控制的角度来说,这种方法毕竟是很准确的。在第二个例子中,电源和地分别位于第三和第四层。这种设计解决了电源的覆铜电阻问题。

由于第一层和第六层的电磁屏蔽性能差,差模电磁干扰降低。如果两外层信号线数量最大,回流线长度很短(短于信号最低谐波波长的1/20),这种设计可以解决差模EMI问题。

在无元器件、无回线的区域外层填充砖铜,覆铜区域短路(每隔1/20波长间隔)时,差模EMI的感应特别好。如上所述,砖铜区应与内部多点相连的地层串联。

一般标准化的高性能6层板设计将第一层和第六层按层分布,第三层和第四层转回电源和地。由于在电源层和相邻层之间有两层相互的双微带信号线,因此电磁干扰的感应能力非常好。这种设计的缺点是只有两个布线层。

如前所述,如果外部迹线较短,并且铜在没有返回迹线的区域被砌砖,则可以用传统的6层板构造相同的填充物。另一种6层板布局是信号、接地、信号、电源、接地和信号,可以实现高级信号完整性设计所需的环境。信号层与邻层相邻,功率层与邻层屏蔽。

看起来不足的是分层填充不均匀。总的来说,这不会给加工生产带来困难。解决问题的办法就是把第三层的空白区域全部堆上铜。

如果第三层的铜密度与电源层或接地层堆叠铜后的铜密度相似,则该板可视为结构平衡的电路板。铜堆放区必须连接电源或短路。连接的过孔之间的距离仍然是1/20波长,这不一定是任意的,但理想情况下应该是连接的。

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