七、印制电路板基础

第7章印刷电路板基础无源器件隐含的射频特性

EMC是“巫术” ?

为什么一支电容器不仅仅是电容?

为什么电感器不是电感?

PCB怎样产生射频能量

麦克斯韦方程描述了产生EMI的根本原因是时变电流,

对麦克斯韦方程的高度概括可以认为其方程可以联合成欧姆定律

V = IxR（时域）v rf =I rf xZ（频域）式中，V是电压，I是电流，R是电阻；Z是阻抗，下标rf 表示“关于射频能量的分量” 当频率低于数千赫兹时，最小阻抗路径就是最小电阻路径；当频率高于数千赫兹时，电抗的值通常就超过了电阻值R,最小电抗路径成为主导因素

信号和回流电流都具有直接路径

低频电路的情况

回流路径与源路径的物理长度不

同，会由于路径较长而附加了额外

的阻抗。自由空间的波阻抗为377Q

■但在100kHz和1MHz的频率

范围只要具有很小的电抗就会

有超过377Q的阻抗。因为电

流必须回到源头去并满足安培定

律，RF能量就会经过可能的最低阻

抗路径回流，当回流路径的阻抗大

于377Q时,自由空间就变成了回

流路径,于是就发生了EMI辐射

EMC theory and application

------------------------- -------------------------------

如果RF回流路径平行靠近其相应的流出线条，则回流路径上的磁通（顺时针场）与源路径上的磁通（逆时针场）是方向相反的，于是顺时针磁场和逆时针磁场迭加时，就得到了对消的效果，常用的通量对消技术有：•在多层印制电路板的情形，可以采用恰当的叠层安排和阻抗控制以便产生一个RF回流像电流或回流的地回•将时钟线条布放在靠近RF回流路径、接地平板（多层PCB时）、地网格或接地/保护线条处•将元件塑料封装内产生的磁通引导到零伏参考系统•通过降低时钟或频率振荡电路产生的R F驱动电压来减弱线条中的RF电流

图PCB 叠层结构举例

两种基本拓扑：微带线和带状线

1=

微带线

埋©微带线

带狀

电源平面

双带状线

单带状线

接地平面

•；/?：

刀:•；"•：：-：•

微带线

□微带线

A位于PCB的顶层、底层或其他外层上的印制线条

A微带线对PCB±产生的RF能量的抑制能力最小

A快速时钟和逻辑信号的传播采用微带线结构

A快速信号要求小电容耦合和低的源到负载的传输延迟时间＞电容对时钟的作用是减缓数字信号的边沿过渡过程

A当两个实体金属平面间的耦合电容较小时，信号就传播地快些

A当使用微带线时，线条位于PCB外层，由于没有顶和底电路层的防护作用，将会向环境辐射RF能量

「用」——

口带状线

A位于两个实体平面层中间的信号线层上，这两个实体层可以是地电位，也可以是具有一定电位的电源平面

A带状线加强了抗RF辐射发射噪声的特性，但相应地减缓了传播速度

＞仍然会由于在外层安装的元件而产生辐射

A使PCB顶层上元件引线电感最小会减小辐射发射作用

A当使用双带状线时，两个布线层上的线条是垂直布置的

叠层安排

在设计印制电路板时，一个最基本的问题是实现电路要求的功能需要多少个布线层和电源平面

最好在PCB±就把RF能量抑制下去，而不是靠金属机箱或封闭的导电塑料盒将R F能量封闭住

每一个布线层都与一个参考的平面（电源或地）相邻，而只有最外层的微带线或单层板的情况例外，最外层的微带线只应该是低速线条

对于多层参考平面的情形，与零伏参考平面邻近的布线层比邻近电源平面的布线层更具有高速信号线条的特性

□单面板设计：通常只用于那些不包含周期信号（时钟）的产品或者用于模拟信号的仪器和控制系统中

A单面板PCB—般只用在几百千赫兹工作的情形

A最便捷的设计单面PCB的方法是由设计电源和接地线开始，然后设计高风险信号（时钟），该信号的线条必须紧靠近接地线条，最后再进行其余线条的设计

(1) 源和接地点

(2) 划分为功能子段布线，考虑敏感元件及 其相关的I/O 端口和连接器的要求

(3) 将最关键信号网络的所有元件邻近放置

(4) 如果需要有多个接地点，确定这些接地 点是否需要连在一起

(5) 布防其余线条，但要记住承载RF 频段能 量多的线条需要釆取通量对消措施，同时要注 意能确保RF 回流路径始终是可用的

三

J

,

• - - - - - ■

滲

接地线条

电源连接器和I/O

电源线条

图中是校差的布线设计，在电源和地网络中存在着许多多余的回路面

RF回流电流准备回

流路程。

■ ■ ■ ■・ ■

电源和接地线条要相邻布放以避免在 电源

系统屮产生回路电流效应

z 笔毛容器

电源线条（实线）

电源连接器

专圣

如果电源和接地线在此处连 在一起，就会产生电流回路

F I

飞连接—

电源和I/O 连接器

这种布线方法的唯一存在的问题是需要决定如何选择各种径向路由结构中的恰当的到电源连接器的连接方式

(1)所有的电源和接地线条都要采用径向路由方式由电源配

送，使线条的全长最短

1!

(2)使接地和电源线条相互紧邻(平行)布线。这样就可以使那些高频开关噪声回路电流对其他电路和控制信号的影响最小，理想情况下，这些线条间隔最好保持大于一个线条的宽度，只有在连接退耦电容器时，线条间隔要求必须大于一个线条的宽度。噪声信号流动应该平行于这些回流路径

(3)不要将树枝形的路由的不同分支相连，以避免产生回路电流