本系列的第 1 部分描述了數(shù)字信號(hào)如何通過(guò) PCB 板傳播。 1、2、5、6]。在第 2 部分中，我們將研究實(shí)現(xiàn)低 EMI 的特定電路板設(shè)計(jì)。我在客戶的電路板設(shè)計(jì)中看到的最大問(wèn)題是層堆疊不良。

重申第 1 部分中的兩個(gè)基本規(guī)則，并實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)和功率(瞬態(tài))是在介電層中移動(dòng)的電磁波，我們看到在 PC 板設(shè)計(jì)方面有兩個(gè)非常重要的原則：

1. PC 板上的每條信號(hào)和電源走線(或平面)都應(yīng)被視為傳輸線。

2. 傳輸線中的數(shù)字信號(hào)傳播實(shí)際上是銅跡線和 GRP 之間空間中電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)。

要構(gòu)建傳輸線，您需要兩塊相鄰的金屬來(lái)捕獲或包含磁場(chǎng)。例如，鄰近接地返回平面 (GRP) 上的微帶線或鄰近 GRP 的帶狀線或鄰近 GRP 的電源跡線(或平面)。例如，在電源和接地參考平面之間放置多個(gè)信號(hào)層將導(dǎo)致快速信號(hào)出現(xiàn)真正的 EMI 問(wèn)題。遵守這兩條規(guī)則將決定層的堆疊。

換句話說(shuō)，每個(gè)信號(hào)或電源走線(路由電源)必須有一個(gè)相鄰的 GRP，并且所有電源層都應(yīng)該有一個(gè)相鄰的 GRP。多個(gè) GRP 應(yīng)通過(guò)縫合過(guò)孔矩陣連接在一起。在本文中，我們將研究幾種層疊設(shè)計(jì)。

典型的六層設(shè)計(jì) (Altium)

我經(jīng)?？吹降囊环N堆疊就是這種六層設(shè)計(jì)(圖 1)。這在 2000 年代初到 2000 年代初的 20 世紀(jì) 90 年代可能很有效，但隨著當(dāng)今速度更快的混合信號(hào)技術(shù)的發(fā)展，它成為了 EMI 災(zāi)難的根源。這有兩個(gè)問(wèn)題：底部?jī)蓚€(gè)信號(hào)層以電源平面為參考，而電源和接地返回平面不相鄰且相距太遠(yuǎn)。

圖 1一種非常常見但較差的 EMI 層疊設(shè)計(jì)(6 層示例)。信號(hào)層 4 和 6 以電源為參考，而 GRP 和電源層不相鄰，中間有兩個(gè)信號(hào)層。這將耦合這兩個(gè)信號(hào)層上的功率瞬變。

除了少數(shù)例外情況(例如某些 DDR RAM 電源和信號(hào))，電流都希望返回其源，這些源以 GRP 為參考。將這些信號(hào)引用到電源層具有很大的 EMI 風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槌送ㄟ^(guò)面間電容(在這種情況下相對(duì)較小)之外，沒(méi)有明確定義的返回路徑。此外，返回路徑中的這些間隙會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)泄漏到電路板介電層的其他區(qū)域。這反過(guò)來(lái)又會(huì)導(dǎo)致交叉耦合和輻射 EMI。

當(dāng)我們將電源和 GRP 通過(guò)兩個(gè)信號(hào)層分開時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)第二個(gè)問(wèn)題。任何電源網(wǎng)絡(luò)瞬態(tài)都會(huì)在介電層內(nèi)交叉耦合，耦合到沿途第 3 層和第 4 層上的任何信號(hào)跡線。如果這些平面之間的距離超過(guò) 3-4 密耳，您也會(huì)失去任何平面間電容優(yōu)勢(shì)。

以下是符合數(shù)字信號(hào)傳播傳輸線方面要求的印刷電路板層疊的幾種想法。

四層板：設(shè)計(jì) 1

良好的四層板堆疊可改善 EMI(圖 2)。我們使用路由或澆注電源以及第 2 層和第 3 層上的信號(hào)來(lái)代替電源層。因此，每個(gè)信號(hào)/電源走線都與 GRP 相鄰。此外，只要將兩個(gè) GRP 通過(guò)縫合過(guò)孔矩陣連接在一起，就可以輕松在所有層之間走通孔。如果沿著周邊(例如，每 5 毫米)運(yùn)行一排縫合過(guò)孔，就會(huì)形成法拉第籠。

圖 2這種良好的四層板堆疊可改善 EMI，使信號(hào)和路由電源保持在接地參考平面附近。

四層板：設(shè)計(jì) 2

另一方面，如果您希望訪問(wèn)信號(hào)和路由/澆注電源走線，您可以簡(jiǎn)單地反轉(zhuǎn)層對(duì)，使兩個(gè) GRP 層位于中間，兩個(gè)信號(hào)層位于頂部和底部，具有路由電源和足夠的去耦電容，而不是電源層(圖 3)。

圖 3這種良好的四層板層疊結(jié)構(gòu)可改善 EMI，將接地參考平面置于板內(nèi)。

對(duì)于這兩種四層設(shè)計(jì)，您需要運(yùn)行一種縫合過(guò)孔圖案，連接兩個(gè) GRP，最大間距約為 1 厘米。

八層板 (Altium)

四層板和八層板設(shè)計(jì)(圖 4)都遵循兩個(gè)基本規(guī)則，以保持良好的傳輸線設(shè)計(jì)。此外，對(duì)于八層設(shè)計(jì)，電源層和 GRP 層現(xiàn)在相距 4 密耳，提供相當(dāng)好的層間電容。再近一點(diǎn)就更好了。例如，1 密耳至 3 密耳的間距是最小化 EMI 的理想選擇。所有 GRP 均應(yīng)使用 1 厘米的過(guò)孔圖案縫合在一起。

圖 4良好的 EMI 層疊設(shè)計(jì)(8 層示例)。所有信號(hào)層都參考相鄰的GRP，而功率也參考相鄰的GRP。

當(dāng)然，在信號(hào)和 GRP 或電源和 GRP 之間創(chuàng)建適當(dāng)?shù)膫鬏斁€對(duì)方面還有更多的迭代。

兩層板呢?

很簡(jiǎn)單，只需在第 1 層上運(yùn)行信號(hào)和路由電源，并在第 2 層上使用 GRP。嗯，這可能在昨天的技術(shù)中有效。在當(dāng)今的技術(shù)中，我們經(jīng)常需要使用至少兩層來(lái)運(yùn)行信號(hào)。答案是在兩條信號(hào)跡線之間運(yùn)行“三元組”并使用接地返回跡線(圖 5)。

圖 5信號(hào)路由三元組的示例，以及嘗試保留路由電源的傳輸線原理。

在這里，我們看到了保留路由電源的傳輸線屬性的嘗試。該示例還顯示了模擬信號(hào)跡線，它們之間有一條接地返回跡線——路由的“三元組”。由于在每條信號(hào)跡線和返回跡線之間充分捕獲了電磁場(chǎng)，因此幾乎沒(méi)有場(chǎng)泄漏。