技术讲解：通过PCB分层堆叠设计控制EMI辐射
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2020-08-10
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技术讲解：通过技术讲解：通过PCB分层堆叠设计控制分层堆叠设计控制EMI辐射辐射
本文从最基本的PCB布板出发，讨论PCB分层堆叠在控制EMI辐射中的作用和设计技巧。
解决EMI问题的办法很多，现代的EMI抑制方法包括：利用EMI抑制涂层、选用合适的EMI抑制零配件和EMI仿真设计等。本文
从最基本的PCB布板出发，讨论PCB分层堆叠在控制EMI辐射中的作用和设计技巧。
电源汇流排
在IC的电源引脚附近合理地安置适当容量的电容，可使IC输出电压的跳变来得更快。然而，问题并非到此为止。由於电容呈有
限频率响应的特性，这使得电容无法在全频带上生成干净地驱动IC输出所需要的谐波功率。除此之外，电源汇流排上形成的瞬
态电压在去耦路径的电感两端会形成电压降，这些瞬态电压就是主要的共模EMI干扰源。
我们应该怎麽解决这些问题
就我们电路板上的IC而言，IC周围的电源层可以看成是优良的高频电容器，它可以收集为干净输出提供高频能量的分立电容器
所泄漏的那部份能量。此外，优良的电源层的电感要小，从而电感所合成的瞬态信号也小，进而降低共模EMI。
当然，电源层到IC电源引脚的连线必须尽可能短，因为数位信号的上升沿越来越快，最好是直接连到IC电源引脚所在的焊盘
上，这要另外讨论。
为了控制共模EMI，电源层要有助於去耦和具有足够低的电感，这个电源层必须是一个设计相当好的电源层的配对。有人可能
会问，好到什麽程度才算好?问题的答案取决於电源的分层、层间的材料以及工作频率(即IC上升时间的函数)。通常，电源分
层的间距是6mil，夹层是FR4材料，则每平方英寸电源层的等效电容约为75pF。显然，层间距越小电容越大。
上升时间为100到300ps的器件并不多，但是按照目前IC的发展速度，上升时间在100到300ps范围的器件将占有很高的比例。
对於100到 300ps上升时间的电路，3mil层间距对大多数应用将不再适用。那时，有必要采用层间距小於1mil的分层技术，并
用介电常数很高的材料代替FR4介电材料。
现在，陶瓷和加陶塑料可以满足100到300ps上升时间电路的设计要求。
尽管未来可能会采用新材料和新方法，但对於今天常见的1到3ns上升时间电路、3到6mil层间距和FR4介电材料，通常足够处
理高端谐波并使瞬态信号足够低，就是说，共模EMI可以降得很低。本文给出的PCB分层堆叠设计实例将假定层间距为3到
6mil。
电磁屏蔽
从信号走线来看，好的分层策略应该是把所有的信号走线放在一层或若干层，这些层紧挨著电源层或接地层。对於电源，好的
分层策略应该是电源层与接地层相邻，且电源层与接地层的距离尽可能小，这就是我们所讲的“分层"策略。
PCB堆叠
什麽样的堆叠策略有助於屏蔽和抑制EMI?以下分层堆叠方案假定电源电流在单一层上流动，单电压或多电压分布在同一层的
不同部份。多电源层的情形稍後讨论。
4层板
4层板设计存在若干潜在问题。首先，传统的厚度为62mil的四层板，即使信号层在外层，电源和接地层在内层，电源层与接地
层的间距仍然过大。
如果成本要求是第一位的，可以考虑以下两种传统4层板的替代方案。这两个方案都能改善EMI抑制的性能，但只适用於板上
元件密度足够低和元件周围有足够面积(放置所要求的电源覆铜层)的场合。
第一种为首选方案，PCB的外层均为地层，中间两层均为信号/电源层。信号层上的电源用宽线走线，这可使电源电流的路径
阻抗低，且信号微带路径的阻抗也低。从EMI控制的角度看，这是现有的最佳4层PCB结构。
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