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PCB 層板與EMI、EMC效應探討
 

【作者: 陳建誠】   2002年01月05日 星期六

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當元件頻率越來越快,系統板頻率隨著元件增加時,常常會出現EMC問題,傳統上EMC被視為一種黑箱的藝術,實際上來說,EMC可以使用電磁學上的馬克斯威爾方程式概念來解釋,我們等一下會推導數學式來敘述幾項重要觀念。首先我們先來解釋一下EMC與EMI的定義:


EMC (Electronmagnetic compatibility)電磁相容:產品能夠在一電磁環境中工作而不會降低功能或損害的能力 。


EMI ( Electronmagnetic interference) 電磁干擾:電子產品中之電磁能量經由傳導或輻射之方式傳播出去的過程。


印刷電路版基本概念

首先,我們先談一下印刷電路版的基本概念,當我們要設計一電路板時,首先要考慮的是需要多少佈線層( routing layer)及電源平面。層數之決定在於雜訊免疫力、功能規格、信號分類、佈線的net與trace數目、VLSI元件密度、匯流排佈線、、、等等。


一般而言,訊號在傳輸線上的電磁特性,會隨頻率變化,當電路板上的工作頻率上升到夠高的時候,使用一般導線的佈線方式,會開始感覺到越來越不適當,開始考慮改用薄膜線來做佈線訊號,且地線與電源也開始改成大面積的薄膜面,而「電源膜面」與「地膜面」間的「間隙」距離,在耐壓可容許的範圍內,應越小越好,以建立大的電容效應,來消除雜訊引起的波動。


電磁效應之因應

由於高頻所引起的電磁效應,會改變原訊號波形,嚴重者會影響系統功能,所以系統有高頻訊號時,如clock,訊號線的Layout就必須很小心,必須改用transmission line或wave guide。在高頻區使用Transmission line傳送訊號有下列數點理由:


1. 它的傳送波速最快,V=1/(LC)^-0.5,式中L是指單位長度的電感量,C是指單位長度的電容量,波速與PCB材料之ε、μ有關,不同材料電路板,波速不一樣。


2. 電磁波是沿著transmission line分佈而且大量localized,互相干擾較少,且較穩定。


3. 一般導線的電路特性,沒有公式可以預知,但transmission line卻有建立好的公式群,可以推求各種想要知道的電路特性及參數,這是電路工程師最需要的依靠點,也可以避免實際線路與推算電路間的誤差。


電路板上最常用的transmission line是microstrip line與strip line,適當的使用microstrip及stripline方式在PCB層面壓制射頻輻射,會比在機殼或金屬圖裝之塑膠殼上下功夫好很多。因為使用埋入於PCB內之Ground和Vcc層平面是壓制PCB內Common-mode RF之重要方法之一,理由是這些平面會降低高頻電源分佈阻抗。


(圖一)顯示出兩個主要分類microstrip及stripline的差異,描述如下:


《圖一 電路板上最常用兩類transmission line》
《圖一 電路板上最常用兩類transmission line》

1. Microstrip:

指PCB外層的trace,經一介電物質連接一整片平面。microstrip方式提供PCB上的RF壓制,同時也可容許比stripline較快的clock及邏輯訊號。較快之clock及邏輯訊號因為較小之耦合電容,會有較低之空載傳輸延遲。Microstrip的缺點是PCB外部訊號會輻射RF能量進入環境,除非在此層上下加一金屬屏蔽。


2. Stripline:

信號層介於兩個solid planes(Vdd或GND)之間,stripline可達到較佳之RF輻射防制,但只能用在較低之傳輸速度,因為信號層介於兩個solid planes之間,兩平面間會有電容性耦合,導致降低高速信號之邊緣速率(edge rate)。stripline之電容耦合效應在邊緣速度快於1ns之信號上較於顯著。一般而言,使用stripline的主要效應是為了完整遮蔽內部trace之RF能量,所以對射頻輻射有較佳之抑制能力。


《圖二 》
《圖二 》

訊號在高頻時,容易產生輻射trace,所以我們利用PCB層數來抑制輻射trace, 除了要注意的是輻射trace容易產生之外,其它內部連線或元件仍然會造成問題,隨著系統、元件、trace之阻抗,會存在阻抗不匹配(impedance mismatch)之問題。不匹配之阻抗會使RF能量由內部trace耦合到其他電路或是自由空間,進而產生EMC或EMI問題,所以除了使用元件之接腳電感最小可降低輻射現象外,阻抗匹配也是抑制EMC重要一環,我們選擇常用的microstrip line利用電磁學來推導地迴路(迴返電流)的存在與trace阻抗的計算。


如(圖二)所示在一△X長度內,相對應的電壓變化為△V,則:


《公式一》
《公式一》
《公式二》
《公式二》

同理,相對應的電流變化為△I,則(如公式二)


在steady state時δ/δt=jω,代入上兩式,共解分別得:


《公式三》
《公式三》

這是transmission line上的電波方程式之一,解之得:


《公式四》
《公式四》

此兩式是已經把time domain的影響並回公式中:


r=α+jβ


α的單位為neper per unit length (代表能量的單位衰減量為dB)


現在因為電路板越做越好,使得α≒0。


β單位叫做degree per unit length,β=2π/λ (代表波沿著transmission line,在同一瞬間,不同位置的度數變化)


(4)式中表示,在transmission line上,通常存在著相向而行的兩個波,一為含e的叫前進波,e含的叫逆向波(反向波)也就是我們所說的迴返電流,在此得到證明。


《公式五》
《公式五》
《公式六》
《公式六》
《公式七》
《公式七》

Ζ0叫transmission line的特性阻抗,當transmission line沒有loss時,α=0,Ζ0=﹝L/C﹞,單位是ohm。Ζ0是高頻電路工程師,在電路板設計microstrip line時,必須預知的參數之一 。


選擇PCB層數的方法指引:

在談完trace以及阻抗匹配所引起的EMC效應後,接下來要談的是選擇PCB層數的方法指引,這些方法並非一成不變,可以依照上述觀念、功能要求及trace的複雜度需要而做適當的修改,需要把握的重要關鍵是每一繞線層( routing layer )必定要相鄰一個完整平面。


(一)兩層板:

一般而言,兩層板有兩種layout方式。第一種為較老之技術,適用於低速之元件,包含DIP包裝的元件排成矩陣狀排列,現今比較少用。第二種為現今典型之應用方式。


第一種方式如(圖三)所示,將Power及GND以格狀Layout,形成每一格的總環路面積小於1.5吋平方,且Power及GND以90°角度分佈,Power在一層而GND在另外一層,並在每一個GND及Trace交接處即每一個IC,放置decoupling電容。


第二種規劃方式如(圖四)所示,常用於音頻之低頻類比設計。作法如下:


1. 將Power trace在同一佈線層,由電源處至每一元件以幅射狀拉線,減少trace總長度。


2. 將所有Power及GND trace相鄰平行佈線,此舉可使高頻的切換雜訊之環路電流最小(環路電流後面會解釋),因此不會衝擊其他電路及控制訊號。


3. 電源的trace不能相互交錯,以免造成Ground Loop。


《圖四》
《圖四》

(二)四層板:

四層板的排法只有一種方式,如(圖五)所示。因為使用power及ground 平面層,所以對EMI特性有很大改善。但是,四層板對trace產生的RF電流通量消除效果並不好。


《圖五 四層板之排法》
《圖五 四層板之排法》

如(圖五)所示,通常我們會把重要的信號及clock擺在第一層,較低速或比要不容易受干擾的信號放在第四層。


從四層板推論得知,當有多於三個完整平面提供的話(即一個Power兩個ground),將最高速clock佈線於相鄰ground plane,且不相鄰於power plane,可得最佳EMI效果,此觀念為PCB上抑制EMI之基礎觀念。


由於Microstrip及Stripline應用在於磁通量之相互抵銷(flux cancellation)使得傳輸線電感降低,一般而言,多數邏輯IC在Pull up / pull down電流比都不是對稱,所以flux cancellation的效果在信號與Ground plane間比訊號與power plane間要好,因此使用power plane 做flux cancellation不能達到最佳效果,反而會導致信號通量相位偏移,電感大增並得到差的阻抗控制及雜訊不穩定,故應使用Ground plane較佳。


多層板可提供優良EMC特性之信號品質,因為microstrip及stripline有數學模式計算,所以可得較佳信號阻抗控制。Power及Ground plane 之分佈阻抗應越小越好。


(三)六層板:

在六層板的應用上,通常有三種常用的排法:


1. 如(圖六)所示,第一層為Component side,microstrip信號佈線層。第二層為Ground plane,第三層為stripline佈線層,第四層為stripline佈線層,第五層為power plane,第六層為solder side,microstrip 信號佈線層。由於第一層與第二層的關係,對clock信號及高頻元件,較常使用的方式。


《圖六 六層板之排法(1)》
《圖六 六層板之排法(1)》

2. 如(圖七)所示,第一層為Component side,microstrip信號佈線層。第二層為埋入的microstrip信號佈線層,第三層為Ground plane,第四層為power plane,第五層為埋入microstrip信號佈線層,第六層為solder side,microstrip 信號佈線層。此方式為四層佈線層,因為在power與Ground間有decoupling效應,所以有較佳的特性。


《圖七 六層板之排法(2)》
《圖七 六層板之排法(2)》

3. 如(圖八)所示,第一層為Component side,microstrip信號佈線層。第二層為Ground plane,第三層為stripline佈線層,下面鋪一填充物質,第四層為power plane,第五層為Ground plane,第六層為solder side,microstrip 信號佈線層。由於第二層與第五層的關係,相對前面兩種組合方式,有較好的flux cancellation,缺點為此方式只有三層佈線層。


《圖八 六層板之排法(3)》
《圖八 六層板之排法(3)》

當一個EMI問題發生時,工程師應以邏輯性來分析探討問題,描述EMC模式需有三個元素:


1. 能量的來源


2. 被能量干擾之接受者


3. 在源頭與接受者間之耦合路徑


若有干擾存在,這三個元素都會有份,如果移掉了其中之一,就沒有干擾問題,一般而言設計PCB以減低RF能量之源頭,是最經濟有效的方法。


結論

本篇文章主要在敘述如何選用合適的PCB層數,合理的對每層板做安排與trace阻抗的計算,來達成EMC可以接受的程度。所以根據上面所述說的現象,我們利用PCB板板材、層數、甚至阻抗匹配等等都是為了抑制電磁波互相干擾,導致電壓、電流產生不正常現象而已。至於如何利用Layout 技巧與placement ( partition ) 來降低、減少EMI,等下次有機會我們再來討論。


綜合前面所述,我們可以做一個這樣的歸納,訊號的「本尊」是電磁波,而電壓波或電流波,只是電磁波經過導體的感應現象,它們是訊號的「分身」而已,因此訊號本身其實也可以進入「非導電體」環境運作,在此不多做說明。故EMI是描述兩個或多的電磁波訊號相互干擾的程度、EMC是描述此電磁波訊號容忍被其它電磁波訊號干擾之程度。


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