七、印制电路板基础-1.ppt

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无源器件隐含的射频特性,EMC是“巫术”？

为什么一支电容器不仅仅是电容？

为什么电感器不是电感？

第7章印刷电路板基础,PCB怎样产生射频能量,麦克斯韦方程描述了产生EMI的根本原因是时变电流，对麦克斯韦方程的高度概括可以认为其方程可以联合成欧姆定律,式中，V是电压，I是电流，R是电阻；Z是阻抗，下标rf表示“关于射频能量的分量”,当频率低于数千赫兹时，最小阻抗路径就是最小电阻路径；当频率高于数千赫兹时，电抗的值通常就超过了电阻值R，最小电抗路径成为主导因素,E,低频电路,信号和回流电流都具有直接路径的情况,E,高频电路,回流路径与源路径的物理长度不同，会由于路径较长而附加了额外的阻抗。

自由空间的波阻抗为377，但在100kHz和1MHz的频率范围只要具有很小的电抗就会有超过377的阻抗。

因为电流必须回到源头去并满足安培定律，RF能量就会经过可能的最低阻抗路径回流，当回流路径的阻抗大于377时，自由空间就变成了回流路径，于是就发生了EMI辐射,磁通和磁通对消,如果RF回流路径平行靠近其相应的流出线条，则回流路径上的磁通（顺时针场）与源路径上的磁通（逆时针场）是方向相反的，于是顺时针磁场和逆时针磁场迭加时，就得到了对消的效果，常用的通量对消技术有：

在多层印制电路板的情形，可以采用恰当的叠层安排和阻抗控制以便产生一个RF回流像电流或回流的地回路将时钟线条布放在靠近RF回流路径、接地平板（多层PCB时）、地网格或接地/保护线条处将元件塑料封装内产生的磁通引导到零伏参考系统通过降低时钟或频率振荡电路产生的RF驱动电压来减弱线条中的RF电流,线条拓扑结构,两种基本拓扑：

微带线和带状线,图PCB叠层结构举例,微带线位于PCB的顶层、底层或其他外层上的印制线条微带线对PCB上产生的RF能量的抑制能力最小快速时钟和逻辑信号的传播采用微带线结构快速信号要求小电容耦合和低的源到负载的传输延迟时间电容对时钟的作用是减缓数字信号的边沿过渡过程当两个实体金属平面间的耦合电容较小时，信号就传播地快些当使用微带线时，线条位于PCB外层，由于没有顶和底电路层的防护作用，将会向环境辐射RF能量,带状线位于两个实体平面层中间的信号线层上，这两个实体层可以是地电位，也可以是具有一定电位的电源平面带状线加强了抗RF辐射发射噪声的特性，但相应地减缓了传播速度仍然会由于在外层安装的元件而产生辐射使PCB顶层上元件引线电感最小会减小辐射发射作用当使用双带状线时，两个布线层上的线条是垂直布置的,叠层安排,在设计印制电路板时，一个最基本的问题是实现电路要求的功能需要多少个布线层和电源平面最好在PCB上就把RF能量抑制下去，而不是靠金属机箱或封闭的导电塑料盒将RF能量封闭住每一个布线层都与一个参考的平面（电源或地）相邻，而只有最外层的微带线或单层板的情况例外，最外层的微带线只应该是低速线条对于多层参考平面的情形，与零伏参考平面邻近的布线层比邻近电源平面的布线层更具有高速信号线条的特性,单面板设计：

通常只用于那些不包含周期信号（时钟）的产品或者用于模拟信号的仪器和控制系统中单面板PCB一般只用在几百千赫兹工作的情形最便捷的设计单面PCB的方法是由设计电源和接地线开始，然后设计高风险信号（时钟），该信号的线条必须紧靠近接地线条，最后再进行其余线条的设计,

（1）确定沿着最关键电路的信号网络中的电源和接地点

（2）划分为功能子段布线，考虑敏感元件及其相关的I/O端口和连接器的要求（3）将最关键信号网络的所有元件邻近放置（4）如果需要有多个接地点，确定这些接地点是否需要连在一起（5）布防其余线条，但要记住承载RF频段能量多的线条需要采取通量对消措施，同时要注意能确保RF回流路径始终是可用的,图中是较差的布线设计，在电源和地网络中存在着许多多余的回路面积。

此外，没有给关键线条的RF回流电流准备回流路程。

非对称地放置不同封装尺寸的元件，采用同一电源要求的元件，这已经成为单面板设计的标准做法，上图中的电源和接地线条采用了径向路由的方法,这种布线方法的唯一存在的问题是需要决定如何选择各种径向路由结构中的恰当的到电源连接器的连接方式

（1）所有的电源和接地线条都要采用径向路由方式由电源配送，使线条的全长最短

（2）使接地和电源线条相互紧邻（平行）布线。

这样就可以使那些高频开关噪声回路电流对其他电路和控制信号的影响最小，理想情况下，这些线条间隔最好保持大于一个线条的宽度，只有在连接退耦电容器时，线条间隔要求必须大于一个线条的宽度。

噪声信号流动应该平行于这些回流路径（3）不要将树枝形的路由的不同分支相连，以避免产生回路电流,双层板设计,将电源和地布成网络状，使组成的全部回路面积不超过3.8cm2；使电源线与电路线条相互成九十度角，电源线条与接地线条各置于不同层上；将接地线条垂直方向布于一层，而电源线条水平方向布于另一层，反之亦然在每一个网格节点和每一个IC芯片处都布置一个退耦电容,必须在尽量靠近强干扰信号线条的附近布放一条回流线条以便RF能量能经这个回流路径回到源头去。

电源及其回流线必须相互平行布置，每一个向电源系统中注入开关电能的器件都要加退耦电容,振荡器,图加强型双面板布线中对RF回流的安排,第2种实际应用中典型的布线设计方式:

与前图几乎相同，唯一不同的是将电源和地线线条布在顶层和底层两层上。

由于有两层可以利用，所以布线比较容易而且能使回路面积尽可能的小。

双层PBC,虽然有顶层板（装有元件的一层）和底层（有一个接地平面或零伏参考面）但总认为RF电流的回流路径仍然处在顶层内。

如图。

所以，进行双层板设计时，最好的方法是把它看成两个单层板来设计，顶层和底层板都采用单层板的设计规则和设计技术。

任何时候都要保证接地环路控制，要为RF回流电流提供实际存在的线条。

参考平面到信号线条的距离达到8倍印制线条的宽度，使通量对消作用很小,信号线条靠近零伏线条，线条间的尺寸比到参考平面的距离小得多,1W,1W,1W,2W,8W,四层板设计,信号1,地,电源,信号2,强通量对消层,为获得最低的电源阻抗采用最小间隔距离,缺乏通量对消作用,层间均等分隔距离,信号线条有较高阻抗，可以达到105-130层间退耦设计可以去除电源到地的开关电能影响（一定的效果）RF回流电流不能不间断地回到源头，除非在信号层布放一条紧邻电源层的地线条,信号1,地,电源,信号2,具有强通量对消特性,较差的退耦特性，高电源阻抗,具有强通量对消特性需要使用接地线条,层间均等分隔距离,填充物质,布线层的阻抗可以具体设计为期望的数值；电源与地的层间退耦作用基本上不存在，需要安装分立的退耦电容器件；RF回流电流不能不间断地回到源头，除非在信号层布放一条紧邻电源层的地线条,信号,地,电源,信号,无显著的退耦作用,加强通量对消层,无显著的退耦作用,备选结构,较差通量对消层,无法修复装配损伤，很难测量和调试；PCB很难加工；可以防止线条上的RF能量向空间辐射，然而这些RF能量会传送到位于外层的元件的引线端子上。

如果没有在元件装配设计时提供了恰当的RF回流路径，这些元件将辐射所有的内部的RF电能,射频转移,射频转移是处理电磁能量由高频段向低频段转移的设计。

射频转移表示，当一个电路的电磁能量由高频段区域向低频段区域进发时，信号将发生固有的传输延迟。

引起这种信号传输减缓作用是因为所有的元件都有输入电容和内部传播延迟,PCB的射频转移的分区,射频电流密度分布,零伏“0V”参考面或回流平面允许RF电流回到它的负载之中，这个回流平面完成了功能实现要求的封闭回路电路，线条中的电流分布使回流结构中的电流蔓延开去。

分布电流共用线条和平面间的公共阻抗，就会由于电流蔓延而产生互耦合当线条和平面间距很大时，前进和回流路径之间的回路面积增加回流路径的增加增大了电路的电感，而其电感正比于回路面积,信号线条,地平面,接地方法,电路1,电路2,电路3,电路1,电路2,电路3,图单点接地方法,电路1,电路2,电路3,图多点接地方法,电路1,电路2,电路3,图混合接地电感耦合,注：

也可用电容替换电感,单点接地当元件、电路、连接器和类似的部件的工作频率在1MHz以下时，单点地是最好的方式。

在CPU主板或I/O接续器中，采用单点接地方式时，如果机架金属板为地，就会在零伏参考平面与机架之间产生回路电流，从而导致辐射发射或传导发射。

在个人电脑和类似的设备中几乎不可能采用单点接地方式，因为此时的各种装配结构和边缘结构都直接地接到金属机架的不同位置实现接地。

由电磁场产生的感应电流的转移机制在电路中产生耦合电压并产生环路结构，多点接地将这些环路置于很少引发问题的区域中。

多点接地高频设计中通常需要采用多个到机架地的连接，多点接地使PCB的电源配送系统的接地阻抗最小化。

每英寸的PCB印制线条大约能附加12-20nH的电感，这个电感值随着印制线条的宽带和厚度而变化。

该电感同参考平面与机架地之间的集总电容或分布电容组成了谐振电路并产生振荡。

信号与地环路,地回路是RF能量产生和传播的主要渠道关于在PCB上抑制EMI的最重要的设计思想是要设计一个最优化的地或信号回流回路控制。

为使地平面电位尽量小，高速逻辑和高频振荡元件必须尽量布放在靠近接地桩附近。

发生RF回路电流的常见的例子是在具有适配卡的典型的个人电脑进行单点接地的情况，在适配卡插槽和单点参考地之间产生了很大的回流环路面积，每个回路都辐射电磁波。

接地连接的距离,如何使PCB组装中的RF回流效应最小呢？

如果多层板安装时有机架地，最简单的方法是在PCB上设计许多个安装到机架地的接地桩。

那么，这些接地点的相互距离应该有多远？

如果设计者有选择位置的可能，那么在具体地应用这一技术时，应该将接地桩摆放在什么位置处？

接地桩之间的空间距离不应该大于最高频率或关心谐波所对应的/20。

这种空间间隔距离要求的原理是偶极子天线的特性。

多点接地的概念就是要使信号线条与地回流路径产生的偶极子效应最小，两个位置点的空间距离越小，产生天线谐振的频率就越高，在PCB组装时PCB所引起的EMI就越小。

（x轴或y轴方向）都不应该超过抑制板上产生的最高边沿速率的/20。

这一点可根据抑制板分区化处理。

用螺钉固定到金属机架上（地连接）,对于具有许多机架地连接的情形，应该如何不采用机械固定螺钉就能实现这么多接地点？

图能实现多点接地连接的有想象力的技术,像平面,像平面是PCB板内的铜或类似的导体层面，这层面可以是物理距离上紧邻布线层或信号层的电源层面、接地层面、零伏参考平面，像平面为RF电流提供了一个回到源头的低阻抗的路径（通量对消或通量最小化）。

外微带线,埋入式微带线,带状线层1,带状线层2,带状线层3,外微带线,像平面,像平面,非优化通量对消,紧邻像平面，最优化通量对消,这一层会将RF能量耦合到带状线层1和3中去，这是我们所不希望的,紧邻像平面，最优化通量对消,图较差的叠层安排中间带状线层没有像平面,注：

像平面可能是电源平面或地平面,为使像平面更有效，在实平板结构中不应该布放任何线条。

下图为像平面被严重破坏的情形，不能起到优化回流路径的作用。

当没有优化回流路径时，就会由于回路产生的非平衡（不同的平衡损耗）而出现RF共模电流。

在平面分割处产生的跨接损耗就产生了RF场。

RF回流路径上布置的线条（像平面上的缝或线条）,RF回流电流造成的大回路面积,信号平面,像平面,布线层的“信号线”跨越分割的像平面（虚线表示），RF回流电流必须经过较长路径回到跳线处，产生了RF回路天线,图破损像平面上的印制线条,镜像平面上的过孔不会降低镜像能力，只有产生连续孔缝的情况才会产生影响。

过孔对PCB布线的其他性能参数还会产生影响，这些参数包括：

降低了板间互电容，降低退耦效率；阻碍RF回流电流在布线层或像平面之间跳层；增加线条的电感和电容；能够在传输线结构中造成阻抗不连续,过孔线间无铜，为回流电流产生大回路面积,过孔线间有铜，回路面积减小,连接器芯的优化设计，回路面积被减小,图有过孔的像平面上的回路面积,像平面上的切缝,IC,IC,当多个通孔在一条直线上时，在地平面上产生缝隙使回流电流必须流过缝隙,如果必须使用通孔元件时，采用通孔（多孔摆放稀疏的优化布线方法）,信号线条,RF回流路径,回流电流在像平面中毗邻信号线流动，由于像平面的不连续性，RF回流电流不是紧邻着信号层上信号线条的镜像，地平面中的回流电流必须绕过通孔流动，这种多出来的回流路径长度产生了环形天线效应，在信号线与回流线间形成磁场,一般情况下，由过大尺寸钻孔或重叠钻孔所造成的缝隙，对大多数信号线条来讲，不会引起RF问题。

对于承载低RF能量的线条或静态信号线条，而不是时钟线条或周期信号线条，都不会引起RF问题。

但是，对于高速、高危险性信号线条，就必须采用特殊的方法进行元件过孔线间的布线，在印制线条必须跨越缝隙或在PCB装配时必须分隔的情况，可按图中表示的简单技术进行，该技术可保证RF电流获得直接的回到发出源的回流路径,信号线条,RF电流回流路径,地平面像平面上的护沟或缝,电容器能提供AC短路或分路，允许RF电流能跨越缝隙或护沟传播。

这样可使功能测试的性能改善20dB以上。

必须选择电容器以便在考虑元件线条信号自谐振频率之内获得最佳性能,一个与像平面有关的问题是集肤效应。

集肤效应是说高频电流是在材料的第一个集肤深度内流动的。

大部分电流不能经线条中心、导线中心或平面中心流动而是在导电媒质的外表面流动的。

因此，共模和差模电流都只在平面的上层流动，没有多少电流是在像平面内部或底层流动。

因此，在原来的参考平面附近再布置第二个像平面并不能进一步降低EMI。

如果第二个参考平面是处于电源电位（原来的参考平面是处于地平面电位上），则两个平面之间会产生退耦电容，这样的两个平面可以同时用于退耦和镜像作用。

功能分区,I/O互连,G,I/O逻辑,D,P,A,B,H,H,I,DMA控制器,内存阵列,I,P,P,A=CPU、高速缓存、振荡器B=内存缓存器D=门阵列/控制逻辑G=用户接口逻辑H=支撑逻辑I=周边I/OP=周边电源,X,X,X,X,X,X,X,X,X,X,X,X,X,X,X,X,功能区分组可以最小化信号线条长度、布线长度和产生的天线效应,时钟为50MHz以上的产品通常需要频繁地进行印制板地到机架地的缝合连接，可以最小化共模电流效应和功能子单元间出现的地环路效应。

在每一个单元最少要有四个接地点。

固定到机架的连接，采用了螺钉或等价方法，应该设计在馈电DC电源连接器的两个端头处。

由周边电源系统产生的RF噪声必须加退耦电容器构成到机架地的交流短路通道。

绝大多数PCB都由功能子单元或子区组成。

每一个区域都有相应的不同的RF能量带宽。

数字部件在全部频带都辐射RF能量。

为防止RF在不同带宽区域间发生耦合就需要进行功能分区和分隔。

即进行功能单元之间的物理分离，可以通过多层PCB、装配件间的隔离和各种布局拓扑安排或者借助于其他开发工具来实现正确的分隔也能达到信号功能优化和简化线条使布线长度最小化。

分隔区应使RF回路面积比较小，优化信号质量。