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大功率直流穩壓電源电路规划工程师怎样使用PCB分层堆叠操控EMI辐射?
編輯:揚州凱弘電源科技有限公司   發布時間:2018-05-29

處理EMI問題的辦法許多,大功率直流穩壓電源電路規劃的EMI按捺辦法包含:使用EMI按捺塗層、選用適宜的EMI按捺零配件和EMI仿真規劃等。本文從最基本的PCB布板動身,評論PCB分層堆疊在操控EMI輻射中的效果和規劃技巧。
大功率直流穩壓電源彙流排
在IC的大功率直流穩壓電源引腳鄰近合理地安頓恰當容量的電容,可使IC輸出電壓的跳變來得更快。可是,問題並非到此爲止。由於電容呈有限頻率響應的特性,這使得電容無法在全頻帶上生成潔淨地驅動IC輸出所需求的諧波功率。除此之外,大功率直流穩壓電源彙流排上构成的瞬态电压在去耦途径的电感两端会构成电压降,这些瞬态电压就是首要的共模EMI搅扰源。咱们应该怎样处理这些问题?
就咱們電路板上的IC而言,IC周圍的大功率直流穩壓電源層可以看成是優秀的高頻電容器,它可以搜集爲潔淨輸出供給高頻能量的分立電容器所泄漏的那部份能量。此外,優秀的大功率直流穩壓電源層的電感要小,然後電感所組成的瞬態信號也小,進而下降共模EMI。
當然,大功率直流穩壓電源层到IC大功率直流穩壓電源引脚的连线有必要尽可能短,由于数位信号的上升沿越来越快,最好是直接连到IC大功率直流穩壓電源引腳地點的焊盤上,這要別的評論。
为了操控共模EMI,大功率直流穩壓電源层要有助於去耦和具有满足低的电感,这个大功率直流穩壓電源层有必要是一个规划相当好的大功率直流穩壓電源层的配对。有人可能会问,好到什么程度才算好?问题的答案取决於大功率直流穩壓電源的分层、层间的资料以及工作频率(即IC上升时间的函数)。一般,大功率直流穩壓電源分层的间隔是6mil,夹层是FR4资料,则每平方英寸大功率直流穩壓電源層的等效電容約爲75pF。明顯,層間隔越小電容越大。
上升時間爲100到300ps的器材並不多,可是依照目前IC的發展速度,上升時間在100到300ps規模的器材將占有很高的份額。對於100到300ps上升時間的電路,3mil層間隔對大多數使用將不再適用。那時,有必要選用層間隔小於1mil的分層技能,並用介電常數很高的資料代替FR4介電資料。現在,陶瓷和加陶塑料可以滿意100到300ps上升時間電路的規劃要求。
盡管未來可能會選用新資料和新辦法,但對於今天常見的1到3ns上升時間電路、3到6mil層間隔和FR4介電資料,一般滿足處理高端諧波並使瞬態信號滿足低,就是說,共模EMI可以降得很低。本文給出的PCB分層堆疊規劃實例將假定層間隔爲3到6mil。
電磁屏蔽
从信号走线来看,好的分层战略应该是把所有的信号走线放在一层或若干层,这些层紧挨著大功率直流穩壓電源层或接地层。对於大功率直流穩壓電源,好的分层战略应该是大功率直流穩壓電源层与接地层相邻,且大功率直流穩壓電源層與接地層的間隔盡可能小,這就是咱們所講的“分層"戰略。


大功率直流穩壓電源电路规划工程师怎样使用PCB分层堆叠操控EMI辐射?

PCB堆疊
什么样的堆叠战略有助於屏蔽和按捺EMI?以下分层堆叠计划假定大功率直流穩壓電源电流在单一层上活动,单电压或多电压散布在同一层的不同部份。多大功率直流穩壓電源層的景象稍後評論。
4層板
4層板规划存在若干潜在问题。首要,传统的厚度为62mil的四层板,即便信号层在外层,大功率直流穩壓電源和接地層在內層,大功率直流穩壓電源層與接地層的間隔依然過大。
假设本钱要求是榜首位的,可以考虑以下两种传统4層板的代替计划。这两个计划都能改善EMI按捺的功能,但只适用於板上元件密度满足低和元件周围有满足面积(放置所要求的大功率直流穩壓電源覆銅層)的場合。
榜首种为首选计划,PCB的外层均为地层,中心两层均为信号/大功率直流穩壓電源层。信号层上的大功率直流穩壓電源用宽线走线,这可使大功率直流穩壓電源电流的途径阻抗低,且信号微带途径的阻抗也低。从EMI操控的视点看,这是现有的最佳4层PCB结构。第二种计划的外层走大功率直流穩壓電源和地,中心两层走信号。该计划相对传统4層板来说,改善要小一些,层间阻抗和传统的4層板相同欠佳。
假設要操控走線阻抗,上述堆疊計劃都要十分小心地將走線安置在大功率直流穩壓電源和接地铺铜岛的下边。别的,大功率直流穩壓電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和低频的衔接性。
6層板
假设4層板上的元件密度比较大,则最好选用6層板。可是,6層板规划中某些叠层计划对电磁场的屏蔽效果不够好,对大功率直流穩壓電源彙流排瞬态信号的下降效果甚微。下面评论两个实例。
榜首例將大功率直流穩壓電源和地分别放在第2和第5层,由於大功率直流穩壓電源覆铜阻抗高,对操控共模EMI辐射十分不利。不过,从信号的阻抗操控观念来看,这一办法却是十分正确的。
第二例将大功率直流穩壓電源和地分别放在第3和第4层,这一规划处理了大功率直流穩壓電源覆铜阻抗问题,由於第1层和第6层的電磁屏蔽功能差,差模EMI添加了。假设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),则这种规划可以处理差模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的按捺特别好。如前所述,要将铺铜区与内部接地层多点相联。
通用高功能6層板规划一般将第1和第6层布为地层,第3和第4层走大功率直流穩壓電源和地。由於在大功率直流穩壓電源层和接地层之间是两层居中的双微带信号线层,因而EMI按捺能力是优异的。该规划的缺点在於走线层只需两层。前面介绍过,假设外层走线短且在无走线区域铺铜,则用传统的6層板也可以完成相同的堆叠。
另一种6層板布局为信号、地、信号、大功率直流穩壓電源、地、信号,这可完成高级信号完整性规划所需求的环境。信号层与接地层相邻,大功率直流穩壓電源层和接地层配对。明显,不足之处是层的堆叠不平衡。
这一般会给加工制作带来费事。处理问题的办法是将第3层所有的空白区域填铜,填铜后假设第3层的覆铜密度挨近於大功率直流穩壓電源层或接地层,这块板可以不严格地算作是结构平衡的电路板。填铜区有必要接大功率直流穩壓電源或接地。銜接過孔之間的間隔依然是1/20波長,不見得處處都要銜接,但抱負情況下應該銜接。
10層板
由於多層板之間的絕緣隔離層十分薄,所以10或12層的電路板層與層之間的阻抗十分低,只需分層和堆疊不出問題,徹底可望得到優異的信號完整性。要按62mil厚度加工制作12層板,困難比較多,可以加工12層板的制作商也不多。
由於信号层和回路层之间总是隔有绝缘层,在10層板规划中分配中心6层来走信号线的计划并非最佳。别的,让信号层与回路层相邻很重要,即板布局为信号、地、信号、信号、大功率直流穩壓電源、地、信號、信號、地、信號。
這一規劃爲信號電流及其回路電流供給了傑出的通路。恰當的布線戰略是,第1層沿X方向走線,第3層沿Y方向走線,第4層沿X方向走線,以此類推。直觀地看走線,第1層1和第3層是一對分層組合,第4層和第7層是一對分層組合,第8層和第10層是最終一對分層組合。當需求改變走線方向時,第1層上的信號線應藉由“過孔"到第3層今後再改變方向。實踐上,或許並不總能這樣做,但作爲規劃概念還是要盡量恪守。
相同,当信号的走线方向变化时,应该藉由过孔从第8层和第10层或从第4层到第7层。这样布线可确保信号的前向通路和回路之间的耦合最紧。例如,假设信号在第1层上走线,回路在第2层且只在第2层上走线,那么第1层上的信号即便是藉由“过孔"转到了第3层上,其回路仍在第2层,然后坚持低电感、大电容的特性以及杰出的電磁屏蔽功能。
假設實踐走線不是這樣,怎樣辦?比如第1層上的信號線經由過孔到第10層,這時回路信號只好從第9層尋覓接地平面,回路電流要找到最近的接地過孔(如電阻或電容等元件的接地引腳)。假設可巧鄰近存在這樣的過孔,則真的走運。假設沒有這樣近的過孔可用,電感就會變大,電容要減小,EMI一定會添加。
当信号线有必要经由过孔离开现在的一对布线层到其他布线层时,应就近在过孔旁放置接地过孔,这样可以使回路信号顺畅回来恰当的接地层。对於第4层和第7层分层组合,信号回路将从大功率直流穩壓電源层或接地层(即第5层或第6层)回来,由于大功率直流穩壓電源层和接地层之间的电容耦合杰出,信号简单传输。
多大功率直流穩壓電源层的规划
假設同一電壓源的兩個大功率直流穩壓電源層需求輸出大電流,則電路板應布成兩組大功率直流穩壓電源层和接地层。在这种情况下,每对大功率直流穩壓電源层和接地层之间都放置了绝缘层。这样就得到咱们期望的等分电流的两对阻抗持平的大功率直流穩壓電源彙流排。假设大功率直流穩壓電源層的堆疊形成阻抗不持平,則分流就不均勻,瞬態電壓將大得多,而且EMI會急劇添加。
假设电路板上存在多个数值不同的大功率直流穩壓電源电压,则相应地需求多个大功率直流穩壓電源层,要牢记为不同的大功率直流穩壓電源创立各自配对的大功率直流穩壓電源层和接地层。在上述两种情况下,确定配对大功率直流穩壓電源层和接地层在电路板的方位时,牢记制作商对平衡结构的要求。
總結
鑒於大多數工程師規劃的電路板是厚度62mil、不帶盲孔或埋孔的傳統印制電路板,本文關於電路板分層和堆疊的評論都限制於此。厚度差別太大的電路板,本文引薦的分層計劃可能不抱負。此外,帶盲孔或埋孔的電路板的加工制程不同,本文的分層辦法也不適用。
电路板规划中厚度、过孔制程和电路板的层数不是处理问题的要害,优秀的分层堆叠是确保大功率直流穩壓電源彙流排的旁路和去耦、使大功率直流穩壓電源層或接地層上的瞬態電壓最小並將信號和大功率直流穩壓電源的電磁場屏蔽起來的要害。抱負情況下,信號走線層與其回路接地層之間應該有一個絕緣隔離層,配對的層間隔(或一對以上)應該越小越好。根據這些基本概念和准則,才幹規劃出總能達到規劃要求的電路板。現在,IC的上升時間現已很短並將更短,本文評論的技能對處理EMI屏蔽問題是必不可少的。

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