PCBEMC设计标准规范.doc
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1、PCB EMC设计规范目录 第一部分 布局 1 层设置 1.1 合理层数 1.1.1 Vcc、GND层数 1.1.2 信号层数 1.2 单板性能指标和成本要求 1.3 电源层、地层、信号层相对位置 1.3.1 Vcc、GND 平面阻抗和电源、地之间EMC环境问题 1.3.2 Vcc、GND 作为参考平面,二者作用和区分 1.3.3 电源层、地层、信号层相对位置 2 模块划分及特殊器件布局 2.1 模块划分 2.1 .1 按功效划分 2 .1.2 按频率划分 2.1.3 按信号类型分 2.1.4 综合布局 2.2 特殊器件布局 2.2.1 电源部分 2.2.2 时钟部分 2.2.3 电感线圈2.
2、2.4 总线驱动部分 2.2.5 滤波器件 3 滤波 3.1 概述 3.2 滤波器件 3.2.1 电阻 3.2.2 电感 3.2.3 电容 3.2.4 铁氧体磁珠 3.2.5 共模电感 3.3 滤波电路 3.3.1 滤波电路形式 3.3.2 滤波电路布局和布线 3.4 电容在PCBEMC设计中应用 3.4.1 滤波电容种类 3.4.2 电容自谐振问题 3.4.3 ESR对并联电容幅频特征影响 3.4.4 ESL对并联电容幅频特征影响 3.4.5 电容器选择 3.4.6 去耦电容和旁路电容设计提议 3.4.7 储能电容设计 4 地分割和汇接4.1接地含义4.2接地目标4.3基础接地方法4.3.1
3、单点接地4.3.2多点接地4.3.3浮地4.3.4以上多种方法组成混合接地方法4.4相关接地方法通常选择标准4.4.2背板接地方法4.4.3单板接地方法第二部分布线1传输线模型及反射、串扰1.1概述:1.2传输线模型1.3传输线种类1.3.1微带线(microstrip)1.3.2带状线(Stripline)1.3.3嵌入式微带线1.4传输线反射1.5串扰2优选布线层2.1表层和内层走线比较2.1.1 微带线(Microstrip) 2.1.3 微带线和带状线比较 2.2 布线层优先等级 3 阻抗控制 3.1 特征阻抗物理意义 3.1.1 输入阻抗: 3.1.2 特征阻抗 3.1.3 偶模阻抗
4、、奇模阻抗、差分阻抗 3.2 生产工艺对对阻抗控制影响 3.3 差分阻抗控制 3.3.1 当介质厚度为5mil时差分阻抗随差分线间距改变趋势 3.3.2 当介质厚度为13 mil时差分阻抗随差分线间距改变趋势 3.3.3 当介质厚度为25 mil时差分阻抗随差分线间距改变趋势 3.4 屏蔽地线对阻抗影响 3.4.1 地线和信号线之间间距对信号线阻抗影响 3.4.2 屏蔽地线线宽对阻抗影响 3.5 阻抗控制案例 4 特殊信号处理 5 过孔 5.1 过孔模型 5.1.1 过孔数学模型 5.1.2 对过孔模型影响原因5.2 过孔对信号传导和辐射发射影响 5.2.1 过孔对阻抗控制影响 5.2.2 过
5、孔数量对信号质量影响 6 跨分割区及开槽处理 6.1 开槽产生 6.1.1 对电源/地平面分割造成开槽 6.2 开槽对PCB板EMC性能影响 6.2.1 高速信号和低速信号面电流分布 6.2.2 分地”概念 6.2.3 信号跨越电源平面或地平面上开槽问题 6.3 对开槽处理 6.3.1 需要严格阻抗控制高速信号线,其轨线严禁跨分割走线 6.3.2 当PCB板上存在不相容电路时,应该进行分地处理 6.3.3 当跨开槽走线不可避免时,应该进行桥接 6.3.4 接插件(对外)不应放置在地层隔逢上 6.3.5 高密度接插件处理 6.3.6 跨“静地”分割处理 7 信号质量和EMC 7.1 EMC介绍
6、7.2 信号质量介绍 7.3 EMC和信号质量相同点 7.4 EMC和信号质量不一样点7.5 EMC和信号质量关系小结 第三部分 背板EMC设计 1 背板槽位排列 1.1 单板信号互连要求 1.2 单板板位结构1.2.1 板位结构影响; 1.2.2 板间互连电平、驱动器件选择 2 背板EMC设计 2.1 接插件信号排布和EMC设计 2.1.1 接插件选型 2.1.2 接插件模型和针信号排布 2.2 阻抗匹配 2.3 电源、地分配 2.3.1 电源分割及热插拔对电源影响 2.3.2 地分割和多种地连接 2.3.3屏蔽层 第四部分 射频PCBEMC设计 1 板材 1.1 一般板材 1.2 射频专用
7、板材 2 隔离和屏蔽 2.1 隔离 2.2 器件布局 2.3 敏感电路和强辐射电路 2.4 屏蔽材料和方法 2.5 屏蔽腔尺寸 3 滤波 3.1 电源和控制线滤波 3.2 频率合成器数据线、时钟线、使能线滤波 4 接地 4.1 接地分类 4.2 大面积接地 4.3 分组就近接地 4.4 射频器件接地 4.4 接地时应注意问题 4.5 接地平面分布 5 布线 5.1 阻抗控制 5.2 转角 5.3 微带线布线 5.4 微带线耦合器 5.5 微带线功分器 5.6 微带线基础元件 5.7 带状线布线5.8 射频信号走线两边包地铜皮 6 其它设计考虑第一部分 布局 1 层设置 在PCBEMC设计考虑中
8、,首先包含便是层设置; 单板层数由电源、地层数和信号层数组成;电源层、地层、信号层相对位置和电源、地平面分割对单板EMC指标至关关键。 1.1 合理层数 依据单板电源、地种类、信号密度、板级工作频率、有特殊布线要求信号数量,和综合单板性能指标要求和成本承受能力,确定单板层数;对于EMC指标要求苛刻(如:产品需认证CISPR16 CLASS B)而相对成本能承受情况下,合适增加地平面乃是PCBEMC设计杀手锏之一。 1.1.1 Vcc、GND层数 单板电源层数由其种类数量决定;对于单一电源供电PCB,一个电源平面足够了;对于多个电源,若互不交错,可考虑采取电源层分割(确保相邻层关键信号布线不跨分
9、割区);对于电源相互交错(尤其是象8260等IC,多个电源供电,且相互交错)单板,则必需考虑采取2个或以上电源平面,每个电源平面设置需满足以下条件: 单一电源或多个互不交错电源; 相邻层关键信号不跨分割区;地层数除满足电源平面要求外,还要考虑:元件面下面(第2层或倒数第2层)有相对完整地平面;高频、高速、时钟等关键信号有一相邻地平面;关键电源有一对应地平面相邻(如48V和BGND相邻)。1.1.2信号层数在CAD室现行工具软件中,在网表调入完成后,EDA软件能提供一布局、布线密度参数汇报,由此参数可对信号所需层数有个大致判定;经验丰富CAD工程师,能依据以上参数再结合板级工作频率、有特殊布线要
10、求信号数量和单板性能指标要求和成本承受能力,最终确定单板信号层数。信号层数关键取决于功效实现,从EMC角度,需要考虑关键信号网络(强辐射网络和易受干扰小、弱信号)屏蔽或隔离方法。1.2单板性能指标和成本要求面对日趋残酷通讯市场竞争,我们产品开发面临越来越大压力;时间、质量、成本是我们能否战胜对手乃至生存基础条件。对于高端产品,为了立即将质量过硬产品推向市场,合适成本增加在所难免;而对于成熟产品或价格压力较大产品,我们必需尽可能降低层数、降低加工难度,用性价比适宜产品参与市场竞争。对于消费类产品,如,电视、VCD、计算机主板通常全部使用6层以下PCB板,而且会为了满足大批量生产要求、严格遵守相关
11、工艺规范、牺牲部分性能指标。1.3 电源层、地层、信号层相对位置 1.3.1 Vcc、GND 平面阻抗和电源、地之间EMC环境问题 (此问题有待深入研究、以下列出现有部分见解,仅供参考) *电源、地平面存在本身特征阻抗,电源平面阻抗比地平面阻抗高; *为降低电源平面阻抗,尽可能将PCB主电源平面和其对应地平面相邻排布而且尽可能靠近,利用二者耦合电容,降低电源平面阻抗; *电源地平面组成平面电容和PCB上退耦电容一起组成频响曲线比较复杂电源地电容,它有效退耦频带比较宽,(但存在谐振问题)。 1.3.2 Vcc、GND 作为参考平面,二者作用和区分 电源、地平面均能用作参考平面,且有一定屏蔽作用;
12、但相对而言,电源平面含有较高特征阻抗,和参考电平存在较大电位势差;从屏蔽角度,地平面通常均作了接地处理,并作为基准电平参考点,其屏蔽效果远远优于电源平面; 在选择参考平面时,应优选地平面。 1.3.3 电源层、地层、信号层相对位置 对于电源、地层数和信号层数确定后,它们之间相对排布位置是每一个EMC工程师全部不能回避话题; 单板 层排布通常标准: a. 元件面下面(第二层)为地平面,提供器件屏蔽层和为顶层布线提供参考平面; b. 全部信号层尽可能和地平面相邻; c. 尽可能避免两信号层直接相邻; d. 主电源尽可能和其对应地相邻; e. 兼顾层压结构对称。 对于母板层排布,鉴于本企业现有母板极
13、难控制平行长距离布线,对于板级 工作频率在50MHZ以上(50MHZ以下情况可参考,合适放宽),提议排布标准: a. 元件面、焊接面为完整地平面(屏蔽); b. 无相邻平行布线层; c. 全部信号层尽可能和地平面相邻; d. 关键信号和地层相邻,不跨分割区。 注:具体PCB层设置时,要对以上标准进行灵活掌握,在领会以上标准基础上,依据实际单板需求,如:是否需要一关键布线层、电源、地平面分割情况等,确定层排布,切忌生搬硬套,或抠住一点不放。鉴于篇幅有限,本文仅列出通常标准,供大家参考。 以下为单板层排布具体探讨: *四层板,优选方案1,可用方案3。方案1 TOP GND POWER BOTTOM
14、 此方案为现行四层PCB主选层设置方案,在元件面下有一地平面,关键信号优选布 TOP层;至于层厚设置,有以下提议: 满足阻抗控制 芯板(GND到POWER)不宜过厚,以降低电源、地平面分布阻抗;确保电源平面去藕效果; 为了达成一定屏蔽效果,有些人试图把电源、地平面放在TOP、BOTTOM层,即采取方案2:此方案为了达成想要屏蔽效果,最少存在以下缺点: *电源、地相距过远,电源平面阻抗较大 *电源、地平面因为元件焊盘等影响,极不完整 *因为参考面不完整,信号阻抗不连续 实际上,因为大量采取表贴器件,对于器件越来越密情况下,本方案电源、地几乎无法作为完整参考平面,预期屏蔽效果极难实现;方案2使用范
15、围有限。但在部分单板中,方案2不失为最好层设置方案。以下为方案2在XX产品接口滤波板中使用案例;案例(特例):在XX产品接口滤波板XXX设计过程中,出现了以下情况:A,整板无电源平面,只有GND、PGND各占一个平面;B,整板走线简单,但作为接口滤波板,布线辐射必需关注;C,该板贴片元件较少,多数为插件。分析:1,因为该板无电源平面,电源平面阻抗问题也就不存在了;2,因为贴片元件少(单面布局),若表层做平面层,内层走线,参考平面完整性基础得到确保,而且第二层可铺铜确保少许顶层走线参考平面;3,作为接口滤波板,PCB布线辐射必需关注,若内层走线,表层为GND、PGND,走线得到很好屏蔽,传输线辐
16、射得到控制;鉴于以上原因,在本板层排布时,我们决定采取方案2,即:GND、S1、S2、PGND,因为表层仍有少许短走线,而底层则为完整地平面,我们在S1布线层铺铜,确保了表层走线参考平面;在传输XX产品五块接口滤波板中,出于以上一样分析,设计人员吴均决定采取方案2,一样不失为层设置经典。列举以上特例,就是要告诉大家,要领会层排布标准,而非机械照搬。方案3: TOP GND POWER BOTTOM 此方案同方案1类似,适适用于关键器件在BOTTOM布局或关键信号底层布线情况;通常情况下,限制使用此方案; 六层板,优选方案3,可用方案1,备用方案2、4 对于六层板,优先考虑方案3,优选布线层S2
17、,其次S3、S1。主电源及其对应地布在4、5层,层厚设置时,增大S2-P之间间距,缩小P-G2之间间距(对应缩小G1-S2层之间间距),以减小电源平面阻抗,降低电源对S2影响;在成本要求较高时候,可采取方案1,优选布线层S1、S2,其次S3、S4,和方案1相比,方案2确保了电源、地平面相邻,降低电源阻抗,但S1、S2、S3、S4全部裸露在外,只有S2才有很好参考平面;对于局部、少许信号要求较高场所,方案4比方案3更适合,它能提供极佳布线层S2。对于单电源情况下,方案2比方案1降低了相邻布线层,增加了主电源和对应地相邻,确保了全部信号层和地平面相邻,代价是:牺牲一布线层; 对于双电源情况,推荐采
18、取方案3,方案3兼顾了无相邻布线层、层压结构对称、主电源和地相邻等优点,但S4应降低关键布线; 方案4:无相邻布线层、层压结构对称,但电源平面阻抗较高;应合适加大3-4、5-6,缩小2-3、6-7之间层间距; 方案5:和方案4相比,确保了电源、地平面相邻;但S2、S3相邻,S4以P2作参考平面;对于底层关键布线较少和S2、S3之间线间窜扰能控制情况下此方案能够考虑。*十层板:推荐方案2、3、可用方案1、4 方案3:扩大3-4和7-8各自间距,缩小5-6间距,主电源及其对应地应置于6、7层;优选布线层S2、S3、S4,其次S1、S5;本方案适合信号布线要求相差不大场所,兼顾了性能、成本;推荐大家
19、使用;但需注意避免S2、S3之间平行、长距离布线; 方案4:EMC效果极佳,但和方案3比,牺牲一布线层;在成本要求不高、EMC指标要求较高、且必需双电源层关键单板,提议采取此种方案;优选布线层S2、S3, 对于单电源层情况,首先考虑方案2,其次考虑方案1。方案1含有显著成本优势,但相邻布线过多,平行长线难以控制;以上方案中,方案2、4含有极好EMC性能,方案1、3含有较佳 性价比;对于14层及以上层数单板,因为其组合情况多样性,这里不再一一列举。大家可根据以上排布标准,依据实际情况具体分析。以上层排布作为通常标准,仅供参考,具体设计过程中大家可依据需要电源层数、布线层数、特殊布线要求信号数量、
20、百分比和电源、地分割情况,结合以上排布标准灵活掌握;对于部分有争议内容我们尽可能提供相关试验数据、案例,给界定,在此之前,提议大家优选推荐方案。2模块划分及特殊器件布局谈PCBEMC设计,不能不谈PCB模块划分及关键器件布局。这首先是一些频率发生器件、驱动器、电源模块、滤波器件等在PCB上相对位置和方向全部会对电磁场发射和接收产生巨大影响,其次以上布局优劣将直接影响到布线质量。2.1模块划分2.1.1按功效划分多种电路模块实现不一样功效,比如说时钟电路;放大电路;驱动电路;A/D、D/A转换电路;I/O电路、开关电源、滤波电路等等。一个完整设计可能包含了其中多个功效电路模块。在进行PCB设计时
21、,我们可依据信号流向,对整个电路进行模块划分。从而确保整个布局合理性,达成整体布线路径短,各个模块互不交错,降低模块间相互干扰可能性。2.1.2按频率划分根据信号工作频率和速率能够对电路模块进行划分:高、中、低渐次展开,互不交错。2.1.3按信号类型分按信号类型能够分为数字电路和模拟电路两部分。为了降低数字电路对模拟电路干扰,使她们能和平共处、达成兼容状态,在PCB布局时需要给她们定义不一样区域,从空间上进行必需隔离,减小相互之间耦合。对于数、模转换电路,如A/D、D/A转换电路,应该布放在数字电路和模拟电路交界处,器件布放方向应以信号流向为前提,使信号引线最短,并使模拟部分管脚在模拟地上方,
22、数字部分管脚在数字地上方。2.1.4综合布局电路布局一个标准,就是应该根据信号流向关系,尽可能做到使关键高速信号走线最短,其次考虑电路板整齐、美观。时钟信号应尽可能短,若时钟走线无法缩短,则应在时钟线两侧加屏蔽地线。对于比较敏感信号线,也应考虑屏蔽方法。时钟电路含有较大对外辐射,会对部分较敏感电路,尤其是模拟电路产生较大影响,所以在电路布局时应让时钟电路远离其它无关电路;为了预防时钟信号对外辐射,时钟电路通常应远离I/O电路和电缆连接器。低频数字I/O电路和模拟I/O电路应靠近连接器布放,时钟电路、高速电路和存放器等器件常布放在电路板最靠近里边(远离拉手条)位置;中低速逻辑电路通常放在电路板中
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