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      用于EMI的PCB信號如何移動

         日期:2021-07-09     來源:免費發外鏈    瀏覽:155    
      用于EMI的PCB信號如何移動


      在幫助客戶使其產品符合EMI標準之后,我發現了一個潛在問題:PC板設計不佳。根據我的經驗,物聯網產品設計人員遇到了由于PC板設計不佳而導致的問題。當板載能源破壞敏感的接收器電路時,糟糕的設計會導致無限延遲,從而導致蜂窩合規性故障。 GPSWi-Fi接收器也會失去靈敏度。

      在這部分1中,您將看到信號如何通過PCB走線以及電磁場如何移動影響那個運動。在第2部分中,我將對比良好和差的PCB疊加之間的差異。第3部分介紹信號路由和電路板分區。

      有許多因素導致EMI設計不佳。其中包括:

      使用數字和敏感模擬電路混合噪聲電路,例如電源和電機轉換。

      時鐘驅動器放置得太靠近電路板邊緣或靠近敏感電路。

      導致串擾的走線路由不良。

      在返回平面的間隙/插槽上運行時鐘(或高速)走線。

      最重要的是,錯誤的層堆疊。


      我已經解決了返回平面間隙上的交叉時鐘走線(參考文獻1,2)。然而,修復關于圖層疊加的最后一項通常會糾正無數的弊端,包括列表中的許多其他項目。

      在參加大學電路課程時,我們大多數人都被錯誤地教授了直流和交流電流如何在集總或分布式(傳輸線)電路中工作。在我們的“田野和波浪”課程中,我們不太可能在電路板設計的實際應用或通過電路板傳播信號方面受到指導。事實上,這兩個概念 - 電路和場 - 在通過微帶線或帶狀線傳播數字信號時協同工作(互補)。

      在你之前你可以理解信號如何在PC板中傳播,你必須先了解一些物理學。

      我們都被教導說“當前”是電子的流動銅。這接近事實,除了我們傾向于考慮正電流 - 缺少電子,通常被稱為“洞”。然而,電子和它們留下的“空穴”(正電荷)傳播速度非常慢(參考文獻3)。請參閱即將發布的說明。

      當然,此電流對于直流電路是正確的(初始電池連接瞬態除外)。但對于交流(或射頻)電路或開關模式電源的“直流”輸出(帶瞬態),我們需要了解所有連接線/走線現在必須考慮傳輸線。
      結果首先,讓我們考慮電容似乎如何允許電子流動。畢竟,這不是解耦電容器的工作原理嗎?參考圖1,如果我們將電池應用于電容器,則施加到頂板的任何正電荷將排斥底板上的正電荷,留下負電荷。如果我們將交流電源應用于電容器,您可能會認為電流流過電介質,這是不可能的。 James Clerk Maxwell稱之為“位移電流”,其中正電荷僅取代相反極板上的正電荷而留下負電荷,反之亦然。此位移電流定義為 dE / dt (隨時間變化電場)。
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      圖1.通過電容器的位移電流的概念。



      您還應該意識到,正如我們所教導的那樣,電子和帶正電的空穴不會在光線中以接近光速的速度傳播,而是在大約移動1厘米/秒,由于銅分子的原子鍵非常緊密(參考文獻4)??隙ㄓ凶杂呻娮雍涂昭ㄔ?,但這些從分子到分子緩慢移動。這被稱為傳導電流,是我們用電流表測量的。傳導電流與B場的切向分量有關,即 curl B = J 。

      銅分子中的一個電子對其相鄰(并且在傳輸線上)的影響以介電材料中的EM場的速度傳播。換句話說,在微帶的一端搖晃一個電子,然后搖晃下一個,下一個搖晃,依此類推,直到它最后搖晃最后一個。這種搖晃在電子領域被稱為扭結,可以被設想為牛頓的搖籃玩具,一種機械類比,第一個球擊中下一個球,最終彈出終點球(圖2)。
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      圖2. Newton's Cradle,一個類比,用于演示電子場中從一個電子到另一個電子的“扭結”。


      我們現在考慮一個波前以大約半光速移動的數字信號(FR4電介質中典型的6 in./ns左右) )沿著相鄰地面返回平面(GRP)上的簡單微帶線,如圖3所示。
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      圖3.數字信號(電磁波)穿過微帶和地參考平面(GRP)之間的介電空間。結果


      下一個實現(掌握的事情)是數字信號的EM場在介電空間中傳播 - 而不是銅。銅只是“引導”電磁波(參考文獻5和6)。

      當微帶線之間首次施加信號(EM波)時并且GRP開始沿著由微帶形成的傳輸線在相鄰的GRP上傳播。傳導電流和位移電流相結合(在電介質上)。

      所有激動人心的“EMI材料”都發生在波前作為電磁波傳播。此時,初始波陣面后面的電場在此時施加的電壓和初始波前的電場為零時是穩定的。信號的快速上升或下降時間包含所有諧波能量,這就是產生EMI的原因。

      如果負載阻抗等于傳輸線的特征阻抗,則不會有EM波反射回源。但是,如果存在不匹配,則會有反射的EM場傳播回源。實際上,大多數逼真的數字信號將具有同時在傳輸線中來回移動的多個反射。這些傳播波的過渡區(上升時間或下降時間)可能會產生EMI。

      現在您可以看到信號如何在電路板中移動,在PC板設計方面有兩個非常重要的原則:

      PC板上的每個信號和電源走線(或平面)都應視為傳輸線。

      數字信號傳播傳輸線中的電磁場實際上是銅跡線和GRP之間空間的運動。


      要構建傳輸線,需要兩個相鄰的部分捕獲或包含場地的金屬。例如,相鄰GRP上的微帶或與GRP相鄰的帶狀線或與GRP相鄰的功率跡線(或平面)。例如,在電源和接地參考平面之間定位多個信號層將導致快速信號的真正EMI問題。觀察這兩個規則將決定層疊。

      換句話說,每個信號或功率軌跡(布線功率)必須具有相鄰的GRP并且所有電力平面都應具有相鄰的GRP。多個GRP應使用拼接過孔矩陣連接在一起。

      如果您通過間隙或槽打破GRP中傳導電流的路徑,我們開始在整個電介質空間中“泄漏”EM場,這導致來自電路板的邊緣輻射以及通過通孔耦合到其他電路的交叉耦合。如果沒有相鄰的縫合通孔或縫合電容器(將GRP連接到電源層),我們也會通過多個接地參考或電源平面傳遞信號。

      這些主題和特定的PC板設計將在我的下一篇文章“為EMI設計PCB,第2部分:基本疊加”中進行描述。
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      致謝:我要感謝Eric Bogatin幫助

       
       
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