如何應(yīng)對(duì)PCB電路板電磁輻射問(wèn)題?

一站式PCBA智造廠家今天為大家講講PCB設(shè)計(jì)如何防護(hù)多層PCB板邊輻射?多層PCB板邊輻射的防護(hù)措施。經(jīng)?？吹胶芏喙た匕寤蛘?a href="http://ttokpm.com/v/tag/105/" target="_blank">射頻板在PCB板的四周會(huì)打上一圈的過(guò)孔和銅帶，甚至有些射頻板會(huì)在四周板邊進(jìn)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的板邊輻射是常見(jiàn)的電磁輻射源

現(xiàn)今，隨著系統(tǒng)速率的提高，不僅僅是高速數(shù)字信號(hào)的時(shí)序、信號(hào)完整性問(wèn)題突出，同時(shí)因系統(tǒng)中高速數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生的電磁干擾及電源完整性造成的EMC問(wèn)題也非常突出。高速數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生的電磁干擾不僅會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)部的嚴(yán)重互擾，降低系統(tǒng)的抗干擾能力，同時(shí)也會(huì)向外空間產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射，引起系統(tǒng)的電磁輻射發(fā)射嚴(yán)重超過(guò)EMC標(biāo)準(zhǔn)，使得產(chǎn)品不能通過(guò)EMC標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。多層PCB的板邊輻射就是比較常見(jiàn)的電磁輻射源。

當(dāng)非預(yù)期的電流達(dá)到接地層和電源層的邊緣時(shí)，便發(fā)生邊緣輻射。這些非預(yù)期的電流可能源自:

- 電源旁路不充分所產(chǎn)生的接地和電源噪聲。

- 感性過(guò)孔所產(chǎn)生的圓柱形輻射磁場(chǎng)，它在電路板各層之間輻射，最終在電路板邊緣會(huì)合。

- 承載高頻信號(hào)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(gè)方面:一是器件高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，瞬態(tài)的交變電流過(guò)大;二是電流回路上存在的電感。從表現(xiàn)形式上來(lái)看又可以分為三類:

- 同步開(kāi)關(guān)噪聲(SSN)，有時(shí)被稱為ΔI噪聲，地彈(Ground bounce)現(xiàn)象也可歸于此類;

- 非理想電源阻抗影響;

- 諧振及邊緣效應(yīng)。

在高速數(shù)字電路中，當(dāng)數(shù)字集成電路加電工作時(shí)，它內(nèi)部的門電路輸出會(huì)發(fā)生從高到低或者從低到高的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，即”0″和”1″間的轉(zhuǎn)換。在變化的過(guò)程沖，門電路中的晶體管將不停地導(dǎo)通和截止，這時(shí)會(huì)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(chǎn)生不平衡，從而產(chǎn)生一個(gè)瞬間變化的電流△I。這個(gè)電流在流經(jīng)回流路徑上存在的電感時(shí)會(huì)形成交流電壓降，進(jìn)而引起噪聲。如果同時(shí)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換的輸出緩沖器較多時(shí)，這個(gè)壓降足夠大，從而導(dǎo)致電源完整性問(wèn)題，將這種噪聲稱為同步開(kāi)關(guān)噪聲(Simultaneous Switch Noise)SSN。

電源交流噪聲會(huì)在電源層及地層之間，利用這兩個(gè)平面的諧振腔模式傳導(dǎo)交流噪聲，傳到平面邊緣就會(huì)輻射到自由空間中，這會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品EMI過(guò)不了認(rèn)證。

對(duì)于過(guò)孔產(chǎn)生的噪聲，我們知道，PCB上互聯(lián)的信號(hào)線包括pcb外層的微帶線及內(nèi)層處于兩平面間的帶狀線以及信號(hào)換層起連接作用的電鍍過(guò)孔(過(guò)孔細(xì)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(guò)良好的參考平面層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以良好的控制輻射。

而過(guò)孔在垂直方向上貫穿多個(gè)疊層，當(dāng)高頻信號(hào)傳輸線通過(guò)過(guò)孔換層時(shí)，不但傳輸線的阻抗發(fā)生的變化，信號(hào)回流路徑的參考平面也發(fā)生了變化，當(dāng)信號(hào)的頻率相對(duì)較低時(shí)，通孔對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懣梢院雎圆挥?jì)，但是當(dāng)信號(hào)頻率上升到射頻或者微波頻段時(shí)，由于過(guò)孔的參考平面變化造成電流返回路徑的變化，該過(guò)孔會(huì)產(chǎn)生的TEM波，會(huì)在在兩平面形成的諧振腔間橫向傳播，最終通過(guò)pcb的邊緣向外輻射到自由空間中，造成EMI指標(biāo)超標(biāo)。

OK，現(xiàn)在我們知道了對(duì)于高頻高速PCB，會(huì)在PCB的板邊產(chǎn)生邊緣輻射問(wèn)題，那如何進(jìn)行防護(hù)呢?

多層PCB板邊輻射的防護(hù)措施

產(chǎn)生EMC 問(wèn)題的三個(gè)要素是：電磁干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備

敏感設(shè)備我們控制不了，切斷耦合路徑比如加個(gè)金屬屏蔽設(shè)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(yōu)化PCB上的關(guān)鍵信號(hào)走線，避免自身出現(xiàn)EMI問(wèn)題，多于換層的過(guò)孔，我們可以在關(guān)鍵信號(hào)的過(guò)孔四周打上接地過(guò)孔，為關(guān)鍵信號(hào)的過(guò)孔提供額外的回流路徑。

嗯，對(duì)于減少PCB邊緣輻射，之前聽(tīng)說(shuō)過(guò)一個(gè)20H規(guī)則，20H規(guī)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(jīng)營(yíng)重視，并經(jīng)常被列為重要的EMI設(shè)計(jì)規(guī)則，其中 H 指的是板子的厚度，即電源平面比地平面內(nèi)縮個(gè)20H的距離。

為了降低邊緣輻射這效應(yīng)，電源平面應(yīng)較相鄰之地平面內(nèi)縮，電源平面內(nèi)縮約10H 則效果不明顯;電源平面內(nèi)縮20H 時(shí)，則吸收70%邊際通量邊界(Flux Boundary);電源平面內(nèi)縮100H 時(shí)，則可吸收98%的邊際通量邊界;因而內(nèi)縮電源層能有效抑制邊際效應(yīng)所造成的輻射。

20H規(guī)則已經(jīng)不適合現(xiàn)在的高頻高速PCB設(shè)計(jì)，以前的印刷電路板面積較大，內(nèi)縮而造成的平面天線共振頻率上升較不明顯;現(xiàn)今因PCB板面較小，內(nèi)縮電源層設(shè)計(jì)的輻射強(qiáng)度隨著不同內(nèi)縮電源層尺寸共振點(diǎn)變化較顯著，而造成高頻會(huì)出現(xiàn)較高的輻射能量。

使用內(nèi)縮20H 的方式并無(wú)法完全解決輻射的下降，雖然，430MHz 以下頻率有改善，而40H 則對(duì)590MHz 以下頻率有改善，但因面積縮小使得共振頻率變高，對(duì)于共振頻率更高頻段之輻射抑制是無(wú)幫助的。

EMI 未來(lái)的設(shè)計(jì)，因內(nèi)縮電源層 20H 將無(wú)幫助，且板子愈小則愈高頻的輻射會(huì)因改變平面天線 效應(yīng)而更嚴(yán)重，所以 20H 的理論已不合目前的實(shí)際需求。

既然20H規(guī)則對(duì)目前的高頻高速PCB設(shè)計(jì)已經(jīng)變得無(wú)效了，那對(duì)于干掉pcb板邊輻射這個(gè)干擾源來(lái)說(shuō)，就得采用屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)邊緣進(jìn)行處理，從而將噪聲反射回內(nèi)層空間中，這會(huì)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(hù)的低成本實(shí)現(xiàn)方法

低成本的實(shí)現(xiàn)方法就是在PCB的四周以1/20波長(zhǎng)孔間距打上一圈接地過(guò)孔，形成接地過(guò)孔護(hù)盾，防止TME波對(duì)外輻射。

而對(duì)于微波電路板，其波長(zhǎng)進(jìn)一步變小，而由于PCB生產(chǎn)工藝現(xiàn)在，孔與孔之間的間距不能做的很小，此時(shí)已1/20波長(zhǎng)的間距在PCB四周打屏蔽過(guò)孔的方式對(duì)于微波板作用已經(jīng)不太明顯，這時(shí)就需要采用PCB版本金屬化包邊工藝，將整個(gè)板邊用金屬包圍起來(lái)，從而使微波信號(hào)無(wú)法從PCB板邊輻射出去，當(dāng)然，采用板邊金屬化包邊工藝，也將會(huì)導(dǎo)致PCB的生產(chǎn)制造成本增加許多。

對(duì)于射頻微波板，某些敏感電路，以及有強(qiáng)烈輻射源的電路可以設(shè)計(jì)一個(gè)在PCB上焊接的屏蔽腔，PCB 在設(shè)計(jì)時(shí)要加上“過(guò)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(guò)孔。這樣就形成了一個(gè)個(gè)相對(duì)隔離的區(qū)域。

過(guò)孔屏蔽墻的設(shè)計(jì)要求如下：

- 有兩排以上的過(guò)孔;

- 兩排過(guò)孔相互錯(cuò)開(kāi);

- 同一排的過(guò)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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審核編輯 黃宇