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高速PCB镜像层设计-彻底解决干扰问题

发布时间:2019-08-12 16:01 来源:未知 编辑:admin

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  认 证 技 术 卷 C e r t i f i c a t i o n Te c h n o l o g y EMC EMC 高 速 PCB 镜 像 层 设 计 ImagePlanesDesignofHigh-SpeedPCB 张海龙 西安电子科技大学模式识别与智 能控制研究所,西安710071 Zhang Hai-long (The Institute of Pattern Recognition and Intelligent Control of Xi?dian University, Xi?an 710071,China) 摘要:在高速多层PCB 上,镜像层在噪声控制方面起着重要作用。良好的镜像层设计可以降低杂散电感 引起的噪声,有助于控制串扰、反射和电磁干扰。本文结合作者的实际设计重点探讨了局部接地层的应用, 并通过一个数模混合电路实例给出了一种镜像层分割法以及一些实践中需要注意的问题。 关键词:镜像层;镜像层分割;局部接地层;20-H规则 中图分类号:TN41 文献标识码:A 文章编号:1003-0107(2005)01-0061-03 Abstract: In high- speed multi- layer printed circuit boar d, the pr oper design of image planes plays an important r ole in contr olling noise. Image planes minimize noise caused by curr ents switching thr ough stray inductance, help contr ol noise caused by cr osstalk and reflections. In addition, they can help contr ol noise emitted outside the system (E MI) . This paper discusses the application of local ground plane in detail with two different cir cuits as example. And integr ating with a hybrid cir cuit, one method of image plane splitting and several pr actical design r ules are given. Key words: Image planes; Splitting planes; Local ground plane; 20-H r ule CLC num ber : T N41 D ocum ent code: A Ar ticle ID :1003-0107(2005)01-0061- 03 61 现在的高速电路系统大多采用多 特性阻抗与导线的宽度和导线距镜像 机会就是放置去耦电容的位置。假若 层板,而且许多电路系统有多种工作 层的高度有关。如果没有镜像层,我们 跳转点附近没有去耦电容或者连接地 电源,这就对镜像层设计尤其是如何 很可能无法控制阻抗,从而无法匹配 层的通孔,返回电流就必须绕到远处 处理多个电源(地)层之间的关系提出 传输线,导致信号的反射。 实现跳转,结果使得返回电流耦合到 了严格的要求。另外,有些系统也需要 另外,镜像层还可以控制辐射向 其他电路,引起串扰和电磁干扰问题。 在器件层设计特殊的敷铜平面以抑制 板外的噪声。当然,光有镜像层是不足 所以PCB设计时,应尽量使层间跳转在 振荡器产生的 RF 能量以及为大功率电 以起到这些作用的,必须辅以严格的 临近器件的接地管脚或者去耦电容附 源器件提供良好的散热。 设计规则才能达到预期目标。我们可 近进行,如果无法做到这一点,可以通 一.镜像层的作用 以这样描述:在高速数字电路中,为了 过在跳转点附近放置地通孔(返回电流 控制噪声镜像层是必须的,但光有镜 在两地层跳转)或者旁路电容(电源层 镜像层是 PCB 内部临近信号层的 像层还是不够的。 和地层之间跳转)来实现返回电流的跳 一层敷铜平面(电源层、接地层),主要 有以下作用: 1 . 降低回流噪声和电磁干扰 二.信号回流的层间跳转 多层 PCB 中,每个布线层都应该和 转。 三.镜像层的分割 (EMI)。镜像层可以为信号回流提供低 一个镜像层相邻,信号的返回电流在 使用多层 PCB结构时,有时需要在 阻抗路径,尤其在电源分布系统中有 其对应的镜像层上流动。当从源到负 镜像层上产生一定宽度的无铜片区域 大电流流动时,镜像层的作用更加明 载的信号线无法在一个布线层走通时,()将一个完整的镜像层隔裂为相互独 显。另外,镜像层的存在减小了信号和 通常采取的做法是先使信号线连接到 立的几部分,这就是镜像层分割。镜像 回流形成的闭合环的面积,降低了 一个布线层(例如X轴),然后再利用通 层分割一般用于防止噪声进入敏感电 EMI。 孔将这条信号线连接到另一层(例如 Y 路以及不同参考电压之间的隔离,例 2.有助于控制高速数字电路中信 轴)。那么,当信号线从一层跳到另一 如阻止数字噪声进入模拟部分、音频 号走线之间的串扰问题。串扰由比率 层时,返回电流也应该跟随着线路从 部分、I/O 区域,5V 与 3.3V 电源电压 D/H 决定,D 为干扰源与受扰对象之间 一层跳转到另一层。如果这两个层都 的隔离。镜像层分割有完全分割和不 的距离,H 为信号线距镜像层的高度, 是地层,返回电流可以经连接两个层 完全分割两种,完全分割指的是分割 通过改变 H,可以控制比率 D/H,就可 的通孔或器件的接地管脚实现跳转。 后的电源层之间、地层之间完全隔绝, 以控制信号线间的串扰问题。 如果一个是电源层另一个是地层,则 不完全分割是指电源层之间完全隔绝 3.有利于阻抗控制。印制导线的 返回电流在这两个层之间跳转的唯一 而地层通过“桥”相连。对镜像层采取 ·2 00 5 第 01 期· ELECTRON ICS QU ALITY 电子质量 EMC 认 证 技 术 卷 C er ti fi c a ti o n Te c hn o l og y 完全分割或不完全分割取决于这些被 这些电源相对应的地层也是相互隔离 容连接方式。 分隔的平面间是否有信号相连。 的,即每个电源都有自己独立的参考 EMC 层。PCB设计时必须保证不发生隔离层 3.2.3 单点接地 3.1 像层分割实例 重叠的情况。举个例子,绝大部分多层 当不同电源的参考层连接到一起 图 1 是某测试平台中涉及的数模 PCB中,模拟部分和数字部分的电源和 时,必须保证单点连接。仍以数模混合 混合电路部分的镜像层设计。视频模 地层都是分离的,PCB设计的时候不能 电路举例,我们的电路板分为数字部 拟输入经过 AD 变换后传送给 FPGA 处 让模拟电源层和数字地层在空间上重 分和模拟部分,而且数字地和模拟地 理,然后作 DA 变换输出,AD 和 DA部分 叠,如图2所示。如果出现重叠的隔离 有两个或两个以上连接点,那么噪声 使用独立的电源器件供电。在这个板 层,就会在重叠区域形成一个小的平 信号很可能通过这两个连接点在这两 卡上大部分都是数字器件,模拟器件 板电容 C1,这个电容会让 RF 能量从一 参考层之间形成循环,这就是我们经 仅占小部分。但是它们都是比较关键 个层传输到另一个隔离的、静止的和 常提到的“地环路”。地环路可以引起 的部分,如果它们的正常工作受到影 独立的层,降低隔离的有效性。 噪声、EMI、能量的损耗以及散热问题。 响将对整个系统的性能造成极大的破 地环路的解决办法非常简单,只要参 62 坏作用,因此对这些部分的处理是非 3.2.2 去耦电容放置 考层之间仅有一个连接点,无法形成 常关键的。我们希望数字部分的噪声 为了滤除高速器件产生的高频噪 环路即可。 不会进入模拟部分,但是 AD和 DA转换 声,电路板上有很多的去耦电容。如果 器都有信号连到数字部分的 FPGA 上, 在PCB上有镜像层分割的话,布线时可 四.局部接地层 为了不影响这些相连信号的回流,我 能会出现去耦电容的地管脚并不是与 局部接地层属于镜像层的一部分, 们将数字电源和模拟电源完全隔绝, 其相对应的地层而是同别的参考地层 是置于 PCB 器件(顶)层上的一块敷铜, 而数字地和模拟地采取不完全分割, 相连的情况。这种错误可能经常会发 与PCB内部接地层直接相连,用于捕获 使数字部分对模拟部分的影响降到最 生,其结果同隔离层重叠一样,导致噪 一些关键芯片(如振荡器)内部产生的 低。所有由数字部分到模拟部分的线 声从一层耦合到另一层,并且解决起 RF 磁通量或者用作电源散热。通常芯 路都必须经过桥,桥的开口大小应该 来比较麻烦,所以必须在设计阶段避 片如果需要局部接地层,芯片制造商 刚好满足所需导线通过的要求,这样 免。仍以数模混合电路来举例,模拟电 会在数据手册中给出一些比较好的建 数据信号的回流就可以通过桥直接返 源通过铁氧体磁珠 I 1 从数字部分引 议。 回,避免了绕圈寻求返回路径而造成 入,C1 为数字部分的去耦电容。图 3a 为了得到良好的性能,振荡器、晶 对其它信号的干扰。此平台的PCB设计 中 C1 的电源管脚同数字电源相连而地 振和时钟支撑电路都应该被安装在这 中,AD部分和DA部分的地也是隔离的。 管脚同模拟地相连,为错误的连接方 样一个单独的局部接地层上。这是因 参考资料[ 2 ]给出了镜像层完全分割的 式,导致数字高频噪声耦合到比较敏 为: 实例。 感的模拟部分,图 3b 为正确的去耦电 1 如果振荡器的封装是一个金属 壳,由于振荡器类型的不同,封装内部 产生的射频电流可能很大,以至于它 的接地管脚无法有效地将该大电流( 为管脚引线电感) 以低损耗方式引到 地,于是这个金属盒变成了一个单极 性天线 如果振荡器是表面安装器件, 3.2 像层分割应注意的几个问题 3.2.1 隔离层重叠 多层 PCB 中,通常会通过镜像层分 割来隔离不同的电源。一般情况下,与 上述情况会变得更糟,因为 SMT 封装通 常是塑料,阻止了 RF 电流被引向接地 点,封装内部产生的 RF 电 流能够辐射到自由空间并 耦合到其它器件。 3 振荡器一般都会驱 动时钟缓冲器,这种缓冲 器通常是超高速、快边缘 速率的器件,会产生大量 电子质量 ELECTRON ICS QU ALITY ·2005 第 01 期· 认 证 技 术 卷 C e r t i f i c a t i o n Te c h n o l o g y EMC RF 电流,可能导致电路功能失效。 板边缘的 RF 辐射情况,可以看出地平 如果在振荡器和时钟电路下安装 局部接地层,就可以提供一个镜像层, 捕获振荡器内部和相关电路产生的 RF 能量,这样就减少了 RF 辐射。图 4 是 面吸收了大量的磁力线,降低了 RF 辐 射能量。实验发现,大约从 10-H 开始 RF 辐射强度开始下降;20-H 时,地平面 可以吸收百分之七十的磁通边界;当达 一个局部接地层的例子。局部接地层 位于 PCB 顶层上,通过振荡器和时钟驱 动器件的地管脚以及一些地通孔与内 部接地层直接相连。为了给振荡器提 到 100-H 时,辐射强度下降百分之九十 八。MarkI.Montrose 通过仿线-H规则下从PCB 边缘辐射的电场强度 E 和磁场强度 H, 供一个较为稳定可靠的电源,进入振 荡器的电压使用铁氧体磁珠 I1 和电容 C2 进行滤波。铁氧体磁珠 I1 本质上是 一个大的 RF 电阻,用来阻止外部的 RF 能量进入振荡器,而电容 C2为 RF电流 提供了另外一条流向地平面的低阻抗 通道。 大,所以 PCB 设计时必须解决好散热问 题,器件手册中推荐图 5所示在器件封 装下边增加热盘垫并利用通孔和内部 的地层相连来散热。在本设计中为了 器件散热效果更好,能够更稳定地工 作,进一步扩展了敷铜面积,并额外增 加了 23 个直径较大的通孔与 PCB 内部 地层相连。图中用于输入电压去耦的 C1、C2 为 10 μ F 的陶瓷片电容,应尽 可能地靠近器件。I1 为铁氧体磁珠,用 于滤除输出电压中的高频噪声,将输 出电流引向平面 4 再通过通孔引入内 部 1.2V 电源层供给 FPGA,3 个 22 μ F 的大电容(C3、C4、C5)用于旁路低频噪 声。 进一步验证了采用 20-H 规则后地平面 可以吸收大量的 PCB 边缘辐射能量这 一结论。而且发现电源与地平面之间 距离越小,20-H 规则的效率越高[4]。另 外,应用 20-H 规则还可以提高 PCB 板 的自谐振频率。 值得注意的是,20-H 规则并不是 适用于所有的 PCB结构。20-H规则是否 有效取决于电路板的工作频率和 P C B 上电源 / 地平面的大小以及二者之间 的距离。我们知道,电源 / 地平面的大 小以及二者之间的距离决定了 PCB 板 的自谐振频率。更进一步的研究表明: 如果电路板工作在自谐振频率的任意 谐波频率时,20-H 规则不再起作用,扩 展的地平面不再吸收辐射能量,更糟 表 1TPS54810 的部分管脚功能说明 Table.1 Pin description of TPS54810 管脚编号 管脚名称 管脚说明 1 AGND 模拟地,应将散热盘垫连接到模拟地 6-14 PH 输出管脚 15-19 PGND 电源地,为了降低和模拟地 之间的噪声,将二者相连 20-24 VIN 输入管脚,在靠近封装的地方用一 个高 Q、低 ESR 的 10uF 陶瓷电容旁路到 PGND 一些电源也要求有局部接地层来 散热。图 5 是某测试平台上电源 TPS54810 的 PCB 设计方案。TPS54810 是 TI 公司生产的一种DC-DC 调节器,输 入电压为 5V,输出电压从0.9V 到3.3V 可调,精度可达到 1%以内,其部分管 脚使用说明如表 1 所示。在本测试平台 中 TPS54810 输出电压为 1.2V,通过内 部电源层供给 FPGA。由于 TPS54810 输 出电流较大,最大可高达 8A,功率较 五.20-H 规则 20-H 规则是一个经验规则,由 W. MichaelKing 提出,可以表述如下:在 高密度多层 PCB 中,为了减小电路板向 自由空间辐射的电磁能量,电源层的 物理尺寸应该比地层的物理尺寸小 20H,其中 H 是二者之间的距离。图 6中 左边部分为没有采用任何特殊设计的 电源 /地平面,PCB板边缘的RF辐射很 强,可能影响周边电路的功能;而右边 部分为将电源平面尺寸降低 X-H后PCB 的是还会产生大量的辐射能量[ 4 ]。所 以在实际的高速电路中,需要根据不 同的情况决定是否应该使用 2 0 - H 规 则。◆ 参考文献: [1]MarkIMontrose.EMCandthe PrintedCircuitBoard-Design,Theory andLayoutMadeSimple[M].NewYork: IEEEPress,1996. [2] 黄绢,朱红.混合电路的 PCB 设计 [J].电子元件与材料,2004,(1):39-42. [3]TPS54810Datasheet[EB/OL]. http://focus.ti.com/docs/prod/folders/ print/tps54810.html,TexasInstruments Incorporated,2002-8-16. [4]MarkIMontrose.Analysisonthe Effectivenessofthe20-HRuleUsing NumericalSimulationTechnique[J].IEEE TransactionsonElectromagnetic Compliance,2002. EMC 63 ·2 00 5 第 01 期· ELECTRON ICS QU ALITY 电子质量

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