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PCB周围的一圈过孔或金属包,有何作用?

分类:
专题报道
作者:
2017/01/18 14:03

        随着系统速率的提高,不仅仅是高速数字信号的时序、信号完整性问题突出,同时因系统中高速数字信号产生的电磁干扰及电源完整性造成的EMC问题也非常突出。


        高速数字信号产生的电磁干扰,不仅会造成系统内部的严重互扰,降低系统的抗干扰能力,同时也会向外空间产生很强的电磁辐射,引起系统的电磁辐射发射严重超过EMC标准,使得产品不能通过EMC标准认证。

 

 


        当非预期的电流达到接地层和电源层的边缘时,便发生边缘辐射。很多原因都会引起非预期的电流,其中,电源旁路不充分所产生的接地和电源噪声,如同步开关噪声,便是其中之一。造成电源噪声的根源主要在于两个方面:一是器件高速开关状态下,瞬间的交变电流过大;二是电流回路上存在的电感。

 

 


        在高速数字电路中,当数字集成电路加电工作时,它内部的门电路输出会发生从高到低或者从低到高的状态转换,即”0″和”1″间的转换。


        在变化的过程中,门电路中的晶体管将不停地导通和截止,这时会有电流从所接电源流入门电路,或从门电路流入地平面,使电源平面或地平面上的电流产生不平衡,从而产生一个瞬间变化的电流△I。

 

 


        这个电流在流经回流路径上存在的电感时会形成交流电压降,进而引起噪声。如果同时发生状态转换的输出缓冲器较多时,这个压降足够大,从而导致电源完整性问题,将这种噪声称为同步开关噪声SSN(Simultaneous Switch Noise)。

 

 


        电源交流噪声会在电源层及地层之间,利用这两个平面的谐振腔模式传导交流噪声,传到平面边缘就会辐射到自由空间中,这会导致产品EMI过不了认证。


        对于过孔产生的噪声,通过良好的平面层叠结构可以控制。而过孔在垂直方向上贯穿多个叠层,当高频信号传输线通过过孔换层时,不但传输线的阻抗发生的变化,信号回流路径的参考平面也发生了变化,当信号的频率相对较低时,通孔对信号传输的影响可以忽略不计。

 

 


        但是当信号频率上升到射频或者微波频段时,由于过孔的参考平面变化造成电流返回路径的变化,该过孔会产生的TEM波,会在在两平面形成的谐振腔间横向传播,最终通过pcb的边缘向外辐射到自由空间中,造成EMI指标超标。


        知道了对于高频高速PCB,会在PCB的板边产生边缘辐射问题,那如何进行防护呢?产生EMC问题的三个要素是:电磁干扰源、耦合途径、敏感设备。敏感设备控制不了,切断耦合路径的方法很简单,比如加个金属屏蔽设备外壳等,剩下的就是想办法处理干扰源。

 

 


        首先要优化PCB上的关键信号走线,避免自身出现EMI问题,对于换层的过孔,我们可以在关键信号的过孔四周打上接地过孔,为关键信号的过孔提供额外的回流路径。


        对于减少PCB边缘辐射,可以采用屏蔽结构对边缘进行处理,从而将噪声反射回内层空间中,这会增加这些层上的电压噪声,但边缘辐射得到降低。低成本的实现方法就是在PCB的四周以1/20波长孔间距打上一圈接地过孔,形成接地过孔护盾,防止TME波对外辐射。

 

 


        而对于微波电路板,其波长进一步变小,而由于PCB生产工艺现在,孔与孔之间的间距不能做的很小,此时已1/20波长的间距在PCB四周打屏蔽过孔的方式对于微波板作用已经不太明显,这时就需要采用PCB版本金属化包边工艺,将整个板边用金属包围起来,从而使微波信号无法从PCB板边辐射出去,当然,采用板边金属化包边工艺,也将会导致PCB的生产制造成本增加许多。

 

 

        本文出自 吴川斌的博客

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