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大功率直流稳压电源电路规划工程师怎样使用PCB分层堆叠操控EMI辐射?
编辑:扬州凯弘电源科技有限公司   发布时间:2018-05-29

处理EMI问题的办法许多,大功率直流稳压电源电路规划的EMI按捺办法包含:使用EMI按捺涂层、选用适宜的EMI按捺零配件和EMI仿真规划等。本文从最基本的PCB布板动身,评论PCB分层堆叠在操控EMI辐射中的效果和规划技巧。
大功率直流稳压电源汇流排
在IC的大功率直流稳压电源引脚邻近合理地安顿恰当容量的电容,可使IC输出电压的跳变来得更快。可是,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洁净地驱动IC输出所需求的谐波功率。除此之外,大功率直流稳压电源汇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?
就咱们电路板上的IC而言,IC周围的大功率直流稳压电源层可以看成是优秀的高频电容器,它可以搜集为洁净输出供给高频能量的分立电容器所泄漏的那部份能量。此外,优秀的大功率直流稳压电源层的电感要小,然后电感所组成的瞬态信号也小,进而下降共模EMI。
当然,大功率直流稳压电源层到IC大功率直流稳压电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大功率直流稳压电源引脚地点的焊盘上,这要别的评论。
为了操控共模EMI,大功率直流稳压电源层要有助於去耦和具有满足低的电感,这个大功率直流稳压电源层有必要是一个规划相当好的大功率直流稳压电源层的配对。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稳压电源的分层、层间的资料以及工作频率(即IC上升时间的函数)。一般,大功率直流稳压电源分层的间隔是6mil,夹层是FR4资料,则每平方英寸大功率直流稳压电源层的等效电容约为75pF。明显,层间隔越小电容越大。
上升时间为100到300ps的器材并不多,可是依照目前IC的发展速度,上升时间在100到300ps规模的器材将占有很高的份额。对於100到300ps上升时间的电路,3mil层间隔对大多数使用将不再适用。那时,有必要选用层间隔小於1mil的分层技能,并用介电常数很高的资料代替FR4介电资料。现在,陶瓷和加陶塑料可以满意100到300ps上升时间电路的规划要求。
尽管未来可能会选用新资料和新办法,但对於今天常见的1到3ns上升时间电路、3到6mil层间隔和FR4介电资料,一般满足处理高端谐波并使瞬态信号满足低,就是说,共模EMI可以降得很低。本文给出的PCB分层堆叠规划实例将假定层间隔为3到6mil。
电磁屏蔽
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稳压电源层或接地层。对於大功率直流稳压电源,好的分层战略应该是大功率直流稳压电源层与接地层相邻,且大功率直流稳压电源层与接地层的间隔尽可能小,这就是咱们所讲的“分层"战略。


大功率直流稳压电源电路规划工程师怎样使用PCB分层堆叠操控EMI辐射?

PCB堆叠
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稳压电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。多大功率直流稳压电源层的景象稍后评论。
4层板
4层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,大功率直流稳压电源和接地层在内层,大功率直流稳压电源层与接地层的间隔依然过大。
假设本钱要求是榜首位的,可以考虑以下两种传统4层板的代替计划。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稳压电源覆铜层)的场合。
榜首种为首选计划,PCB的外层均为地层,中心两层均为信号/大功率直流稳压电源层。信号层上的大功率直流稳压电源用宽线走线,这可使大功率直流稳压电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稳压电源和地,中心两层走信号。该计划相对传统4层板来说,改善要小一些,层间阻抗和传统的4层板相同欠佳。
假设要操控走线阻抗,上述堆叠计划都要十分小心地将走线安置在大功率直流稳压电源和接地铺铜岛的下边。别的,大功率直流稳压电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层板
假设4层板上的元件密度比较大,则最好选用6层板。可是,6层板规划中某些叠层计划对电磁场的屏蔽效果不够好,对大功率直流稳压电源汇流排瞬态信号的下降效果甚微。下面评论两个实例。
榜首例将大功率直流稳压电源和地分别放在第2和第5层,由於大功率直流稳压电源覆铜阻抗高,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稳压电源和地分别放在第3和第4层,这一规划处理了大功率直流稳压电源覆铜阻抗问题,由於第1层和第6层的电磁屏蔽功能差,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层板规划一般将第1和第6层布为地层,第3和第4层走大功率直流稳压电源和地。由於在大功率直流稳压电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层板也可以完成相同的堆叠。
另一种6层板布局为信号、地、信号、大功率直流稳压电源、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,大功率直流稳压电源层和接地层配对。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稳压电源层或接地层,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稳压电源或接地。衔接过孔之间的间隔依然是1/20波长,不见得处处都要衔接,但抱负情况下应该衔接。
10层板
由於多层板之间的绝缘隔离层十分薄,所以10或12层的电路板层与层之间的阻抗十分低,只需分层和堆叠不出问题,彻底可望得到优异的信号完整性。要按62mil厚度加工制作12层板,困难比较多,可以加工12层板的制作商也不多。
由於信号层和回路层之间总是隔有绝缘层,在10层板规划中分配中心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、大功率直流稳压电源、地、信号、信号、地、信号。
这一规划为信号电流及其回路电流供给了杰出的通路。恰当的布线战略是,第1层沿X方向走线,第3层沿Y方向走线,第4层沿X方向走线,以此类推。直观地看走线,第1层1和第3层是一对分层组合,第4层和第7层是一对分层组合,第8层和第10层是最终一对分层组合。当需求改变走线方向时,第1层上的信号线应藉由“过孔"到第3层今后再改变方向。实践上,或许并不总能这样做,但作为规划概念还是要尽量恪守。
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电磁屏蔽功能。
假设实践走线不是这样,怎样办?比如第1层上的信号线经由过孔到第10层,这时回路信号只好从第9层寻觅接地平面,回路电流要找到最近的接地过孔(如电阻或电容等元件的接地引脚)。假设可巧邻近存在这样的过孔,则真的走运。假设没有这样近的过孔可用,电感就会变大,电容要减小,EMI一定会添加。
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稳压电源层或接地层(即第5层或第6层)回来,由于大功率直流稳压电源层和接地层之间的电容耦合杰出,信号简单传输。
多大功率直流稳压电源层的规划
假设同一电压源的两个大功率直流稳压电源层需求输出大电流,则电路板应布成两组大功率直流稳压电源层和接地层。在这种情况下,每对大功率直流稳压电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稳压电源汇流排。假设大功率直流稳压电源层的堆叠形成阻抗不持平,则分流就不均匀,瞬态电压将大得多,而且EMI会急剧添加。
假设电路板上存在多个数值不同的大功率直流稳压电源电压,则相应地需求多个大功率直流稳压电源层,要牢记为不同的大功率直流稳压电源创立各自配对的大功率直流稳压电源层和接地层。在上述两种情况下,确定配对大功率直流稳压电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。
总结
鉴於大多数工程师规划的电路板是厚度62mil、不带盲孔或埋孔的传统印制电路板,本文关於电路板分层和堆叠的评论都限制於此。厚度差别太大的电路板,本文引荐的分层计划可能不抱负。此外,带盲孔或埋孔的电路板的加工制程不同,本文的分层办法也不适用。
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稳压电源汇流排的旁路和去耦、使大功率直流稳压电源层或接地层上的瞬态电压最小并将信号和大功率直流稳压电源的电磁场屏蔽起来的要害。抱负情况下,信号走线层与其回路接地层之间应该有一个绝缘隔离层,配对的层间隔(或一对以上)应该越小越好。根据这些基本概念和准则,才干规划出总能达到规划要求的电路板。现在,IC的上升时间现已很短并将更短,本文评论的技能对处理EMI屏蔽问题是必不可少的。

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