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        如何通過PCB設計防護多層PCB板邊輻射?

        發布時間 :2022-10-31 17:32 閱讀 : 來源 :技術文章責任編輯 :深圳宏力捷PCB設計部
        經??吹胶芏喙た匕寤蛘呱漕l板在PCB板的四周會打上一圈的過孔和銅帶,甚至有些射頻板會在四周板邊進行金屬化包邊,這樣做是啥套路?難道是攻城獅在裝13嗎?
         
        多層PCB板邊輻射防護PCB設計
         

        多層PCB的板邊輻射是常見的電磁輻射源

        現今,隨著系統速率的提高,不僅僅是高速數字信號的時序、信號完整性問題突出,同時因系統中高速數字信號產生的電磁干擾及電源完整性造成的EMC問題也非常突出。高速數字信號產生的電磁干擾不僅會造成系統內部的嚴重互擾,降低系統的抗干擾能力,同時也會向外空間產生很強的電磁輻射,引起系統的電磁輻射發射嚴重超過EMC標準,使得產品不能通過EMC標準認證。多層PCB的板邊輻射就是比較常見的電磁輻射源。
         
        當非預期的電流達到接地層和電源層的邊緣時,便發生邊緣輻射。這些非預期的電流可能源自:
        - 電源旁路不充分所產生的接地和電源噪聲。
        - 感性過孔所產生的圓柱形輻射磁場,它在電路板各層之間輻射,最終在電路板邊緣會合。
        - 承載高頻信號的帶狀線回流電流與電路板邊緣靠得太近。
         

        造成電源噪聲的根源

        造成電源噪聲的根源主要在于兩個方面:一是器件高速開關狀態下,瞬態的交變電流過大;二是電流回路上存在的電感。從表現形式上來看又可以分為三類:
        - 同步開關噪聲(SSN),有時被稱為ΔI噪聲,地彈(Ground bounce)現象也可歸于此類;
        - 非理想電源阻抗影響;
        - 諧振及邊緣效應。
         
        在高速數字電路中,當數字集成電路加電工作時,它內部的門電路輸出會發生從高到低或者從低到高的狀態轉換,即”0″和”1″間的轉換。在變化的過程沖,門電路中的晶體管將不停地導通和截止,這時會有電流從所接電源流入門電路,或從門電路流入地平面,使電源平面或地平面上的電流產生不平衡,從而產生一個瞬間變化的電流△I。這個電流在流經回流路徑上存在的電感時會形成交流電壓降,進而引起噪聲。如果同時發生狀態轉換的輸出緩沖器較多時,這個壓降足夠大,從而導致電源完整性問題,將這種噪聲稱為同步開關噪聲(Simultaneous Switch Noise)SSN。
         
        電源交流噪聲會在電源層及地層之間,利用這兩個平面的諧振腔模式傳導交流噪聲,傳到平面邊緣就會輻射到自由空間中,這會導致產品EMI過不了認證。
         
        對于過孔產生的噪聲,我們知道,PCB上互聯的信號線包括pcb外層的微帶線及內層處于兩平面間的帶狀線以及信號換層起連接作用的電鍍過孔(過孔細分為通孔、盲孔、埋孔),處于表層的微帶線和處于兩平面間的帶狀線通過良好的參考平面層疊結構設計可以良好的控制輻射。
         
        而過孔在垂直方向上貫穿多個疊層,當高頻信號傳輸線通過過孔換層時,不但傳輸線的阻抗發生的變化,信號回流路徑的參考平面也發生了變化,當信號的頻率相對較低時,通孔對信號傳輸的影響可以忽略不計,但是當信號頻率上升到射頻或者微波頻段時,由于過孔的參考平面變化造成電流返回路徑的變化,該過孔會產生的TEM波,會在在兩平面形成的諧振腔間橫向傳播,最終通過pcb的邊緣向外輻射到自由空間中,造成EMI指標超標。
         
        OK,現在我們知道了對于高頻高速PCB,會在PCB的板邊產生邊緣輻射問題,那如何進行防護呢?
         

        多層PCB板邊輻射的防護措施

        產生EMC 問題的三個要素是:電磁干擾源、耦合途徑、敏感設備
         
        敏感設備我們控制不了,切斷耦合路徑比如加個金屬屏蔽設備外殼等,這里不講,就剩下如何想辦法干掉干擾源了。
         
        首先要優化PCB上的關鍵信號走線,避免自身出現EMI問題,多于換層的過孔,我們可以在關鍵信號的過孔四周打上接地過孔,為關鍵信號的過孔提供額外的回流路徑。
         
        嗯,對于減少PCB邊緣輻射,之前聽說過一個20H規則,20H規則最早乃由W.Michael King于1980年所提出,并由Mark.I.Montrose 于其著作中闡述,而受經營重視,并經常被列為重要的EMI設計規則,其中 H 指的是板子的厚度,即電源平面比地平面內縮個20H的距離。
         
        為了降低邊緣輻射這效應,電源平面應較相鄰之地平面內縮,電源平面內縮約10H 則效果不明顯;電源平面內縮20H 時,則吸收70%邊際通量邊界(Flux Boundary);電源平面內縮100H 時,則可吸收98%的邊際通量邊界;因而內縮電源層能有效抑制邊際效應所造成的輻射。
         
        20H規則已經不適合現在的高頻高速PCB設計,以前的印刷電路板面積較大,內縮而造成的平面天線共振頻率上升較不明顯;現今因PCB板面較小,內縮電源層設計的輻射強度隨著不同內縮電源層尺寸共振點變化較顯著,而造成高頻會出現較高的輻射能量。
         
        使用內縮20H 的方式并無法完全解決輻射的下降,雖然,430MHz 以下頻率有改善,而40H 則對590MHz 以下頻率有改善,但因面積縮小使得共振頻率變高,對于共振頻率更高頻段之輻射抑制是無幫助的。
         
        EMI 未來的設計,因內縮電源層 20H 將無幫助,且板子愈小則愈高頻的輻射會因改變平面天線 效應而更嚴重,所以 20H 的理論已不合目前的實際需求。
         
        既然20H規則對目前的高頻高速PCB設計已經變得無效了,那對于干掉pcb板邊輻射這個干擾源來說,就得采用屏蔽結構對邊緣進行處理,從而將噪聲反射回內層空間中,這會增加這些層上的電壓噪 聲,但邊緣輻射得到降低。
         

        多層PCB板邊輻射防護的低成本實現方法

        低成本的實現方法就是在PCB的四周以1/20波長孔間距打上一圈接地過孔,形成接地過孔護盾,防止TME波對外輻射。
         
        而對于微波電路板,其波長進一步變小,而由于PCB生產工藝現在,孔與孔之間的間距不能做的很小,此時已1/20波長的間距在PCB四周打屏蔽過孔的方式對于微波板作用已經不太明顯,這時就需要采用PCB版本金屬化包邊工藝,將整個板邊用金屬包圍起來,從而使微波信號無法從PCB板邊輻射出去,當然,采用板邊金屬化包邊工藝,也將會導致PCB的生產制造成本增加許多。
         
        對于射頻微波板,某些敏感電路,以及有強烈輻射源的電路可以設計一個在PCB上焊接的屏蔽腔,PCB 在設計時要加上“過孔屏蔽墻”,就是在PCB上與屏蔽腔壁緊貼的部位加上接地的過孔。這樣就形成了一個個相對隔離的區域。
         
        過孔屏蔽墻的設計要求如下:
        - 有兩排以上的過孔;
        - 兩排過孔相互錯開;
        - 同一排的過孔間距要小于λ/20;
        - 接地的PCB銅箔與屏蔽腔壁壓接的部位禁止有阻焊。
         
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