设计PCB为EMI，第3部分：分区和路由

文章：Kenneth Wyatt

将pcb划分成模拟和数字部分，但不要跨越这些间隙运行信号。

第1部分本系列描述了数字信号如何通过PC板传播第2部分描述了特定的电路板堆叠设计以实现低EMI。万博投注网址第3部分将解决电路部分的分区，高速迹线的路由，以及一些其他布局实践，以帮助减少EMI。

除了适当的层堆叠外，在铺设电路板上的电路时，下一个最重要的考虑因素是电路功能的划分，如数字，模拟，电源转换，RF和电机控制等的东西。

在我们进入电路布局之前，我们必须首先了解并可视化返回电流如何流动以及电磁场如何在高速电路迹线下分布。在低频 - 低于约50kHz返回电流往往遵循最低电阻的路径。它们倾向于沿着源头和负载之间的最短距离旅行，如绿色区域的模拟图1。

图1.返回50 kHz以下50 kHz的电流场分布遵循最小阻力的路径。图像礼貌凯西理工。

在大约50kHz至100kHz，由于信号路径之间的相互阻抗耦合效应，返回电流往往遵循最低阻抗的路径。这些电流倾向于直接行驶源和负载之间的信号路径，如绿色区域的模拟图2。

图2。返回电流场分布在50 kHz以上的频率，将通过最小阻抗路径返回到源。图像礼貌凯西理工。

您现在可以理解为什么模拟电路应远离数字或其他嘈杂电路。将这些“展开”返回电流与来自嘈杂电路的返回电流相互作用。这是分区这么重要的主要原因。

分区
本系列的第1部分描述了数字（和其他高频）信号如何通过板的介电空间传播。为避免信号耦合和串扰，您不得允许各种返回信号在同一介电空间内混合。因此，您需要分区主要电路功能。图3.演示了一个分区的示例。当然，随着董事会规模的缩小，这将变得更具挑战性。Henry Ott在参考文献1中也描述了这个概念。

图3。一个如何在板上划分电路功能的例子。

现在知道低频信号返回倾向于传播更多，我们可以看到任何模拟或低频电路必须与数字，电源转换或电机控制器电路分开。同样，敏感的RF接收器电路，例如GPS，蜂窝或Wi-Fi器件也必须与数字，电力转换或电动机控制器电路保持分开。

信号路由

以下是在PCB上路由信号以最大限度地减少干扰时遵循的一些指导方针。



返程飞机的间隙:所有的地面返回飞机(GRPs)应该尽可能坚固，并且设计上没有长间隙或槽。如第1部分所述，当高频迹线穿过回路中的间隙时，就会产生共模电流源，这种共模电流通常会在整个电路板上耦合，从而产生辐射发射失效的可能性(参考文献2和3)。

图4。在这个例子中有两个问题;我们有一个数字信号穿过GRP的两个间隙，它也穿过一个“安静的”模拟平面。

这些共模电流耦合到电源和I/O电缆，然后辐射。但是间隙也会导致介质空间内的场泄漏，它会与附近的其他信号的通孔耦合，造成类似串扰的不必要的耦合。它还会直接从板子上引起“边缘辐射”。如果共模电流的谐波频率是电缆或板子尺寸的1/4到1/2波长，它们将作为发射天线和辐射。参见我的视频演示“间隙在返回飞机”(参考4)。



通过渗透:通常，您需要从顶侧运行信号到底侧（或内部到内部层），依赖于通孔到达那里。如果您只需要从GRP的一侧传递到另一侧，则没有问题，因为信号的电磁场沿整个路径包含（图5.）。

只有当您需要通过多个平面时，您可能无法提供电磁波的返回路径，因为它通过电路板的介电空间行进（图6.）。

如果平面之间没有传输线连续性（缝合通孔或电容），则您将在整个介电空间中获得现场泄漏，因为信号试图找到回到源的方式。这种现场能量将耦合到其他通孔，并传播为“边缘辐射”。



如果这两架飞机是grp，那么你只需将它们至少缝合在信号通道附近的一个位置。这允许沿整个路径传播字段。我稍后会提到，地面穿孔矩阵总是一个好的做法，如果它们位于非常近的位置(5毫米的间距是好的)，没有必要在每个穿刺点上都指定一个。



然而，如果两个平面处于不同的电位，例如GRP和功率，则需要在信号通界旁边安装拼接电容器。如果这样的板上存在几十个信号穿透，则添加用于每个信号穿透的拼接电容可能是不切实际的，因此可以在整个板上定位均匀分布的解耦/缝合电容器的均匀分布的一个原因。这也将有助于减少“地面反弹”或同时开关噪声（SSN）。



路由电源与电力平面：传统的方法是用一个或多个（取决于层的数量），以开始功率地面“核”，并从那里建立信号层，通常同样在芯的每一侧，以取得最佳制造性。通常，数字接地返回用于此。另一个大的优点是，当间隔开在一起（小于3密耳）时，功率接地芯成为良好的高频去耦电容器。As the number of layers increase, it’s often best to locate two or more power-ground cores closer to the top and bottom of the stack-up—generally on layers 2-3 and 6-7 (on eight-layer boards, for example).



缺点是需要缝合（或去耦）电容器来维持通过的信号的传输线。然后，其他电压轨通常在信号层上路由。



它有一个很大的优势，那就是把所有的电力都路由出去，然后使用一个或多个grp。也就是说，所有的grp可以缝在一起的矩阵模式，你不需要专用的缝电容器。多个grp，当位于外层时，可以在板的周长周围缝合在一起，形成法拉第屏蔽。



另一方面，每个数字设备都需要每个电源引脚2-3个去耦电容，或销钉封闭销钉。此外，Rails（通常是主要数字电压）应该有更宽的倾倒迪/DT.设备，如核心电压，驱动器，ASIC，电机控制器，处理器等。这将有助于作为您的高频去耦。



路由三胞胎：在没有连续GRP的情况下，例如一些双层板设计，模拟和数字轨迹都可以被路由为“三联”，一个单一的返回轨迹与两个信号轨迹一起定位和路由。万博投注网址第2部分对此进行了描述和说明，NXP半导体公司的丹·比克(Dan Beeker)对此进行了介绍(参考文献5)。



地倒:填充带土倾倒的信号迹线之间的任何空间始终是一个很好的做法。这些地面浇注必须在董事会内的所有GRP中连接到多个地点。这是两件事;它提供额外的屏蔽，以及信号返回的路径，它可以从生产角度来看，实现更好可靠的板设计。



多地通过:使用约5mm的间距，建立连接所有地面的地面通孔矩阵的矩阵浇注和GRP是一种良好的做法。这将提供用于穿透多于一个GRP层的信号的多个返回路径。此外，如果您使用多个GRP，则应通过缝合围绕电路板的周边设计，以为之间的那些信号层创建法拉第笼。在设计中结合无线技术时，该技术尤为重要。



其他指南最小化EMI

时钟振荡器/水晶/驱动程序:定位你的时钟振荡器朝向板的中心(或数字分区)，接近他们正在驱动的设备，远离板的边缘，特别是I/O或电源连接器。



时钟迹线：所有的时钟跟踪都应该简短而直接。避免沿着板子边缘运行，因为这会导致板子边缘的物理耦合，并导致板子共振和随之产生的板子辐射。



I / O和电源连接器：如果可能，沿板的单一边缘定位你的I/O和电源连接器。父亲的一个连接器位于另一个连接器，更多的电磁干扰相关的噪声电压可以测量在他们的连接器之间的身体。两根长电线之间的高频噪声源是什么?一个偶极天线!您希望最小化所有连接器之间的“噪声”压降。



RF模块传输线：所有天线传输线路应运行短，直接向天线或天线端口连接器。这些应该埋入两个GRP之间，并且可以指示八个或更多层，通过在立即上方和下方的层中的层中的“保持”区域来实现50Ω阻抗。
另外，每行缝合，每隔3毫米到5毫米间隔开，将所有GRP沿着每个天线传输线的每一侧连接。这将提供额外的屏蔽。


以太网连接器：应在以太网连接器下方直接“留出”区域。这将有助于从单端信号对转换到平衡信号对。



都市传说

90度转弯：已经很好地证明，对于正常（至少到几个GHz）数字痕迹，这不是倒角或圆角的必要条件。可以在需要的情况下制作90度弯曲（参考文献6,7和8）。



20h规则：还有所谓的“20h规则”，其中电源平面应从GRP的边缘返回到层厚度的20倍。这据说有助于减少环绕领域。如果它只是它只是使场线更长（参考文献9和10）。



我怀疑还有更多的人，或许读者可以通过他们的评论添加到这个列表中。