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從天線角度看PCB覆銅的優(yōu)勢(shì)

  • 發(fā)布時(shí)間:2023-05-30 10:23:25
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  所謂覆銅,就是將PCB上閑置的空間作為基準(zhǔn)面,然后用固體銅填充,這些銅區(qū)又稱為灌銅。覆銅的意義在于,減小地線阻抗,提高抗干擾能力;降低壓降,提高電源效率;與地線相連,還可以減小環(huán)路面積。也出于讓PCB焊接時(shí)盡可能不變形的目的,大部分PCB生產(chǎn)廠家也會(huì)要求PCB設(shè)計(jì)者在PCB的空曠區(qū)域填充銅皮或者網(wǎng)格狀的地線,覆銅如果處理的不當(dāng),那將得不賞失,究竟覆銅是“利大于弊”還是“弊大于利”?

  下面的測(cè)量結(jié)果是利用EMSCAN電磁干擾掃描系統(tǒng)獲得的,EMSCAN能使我們實(shí)時(shí)看清電磁場(chǎng)的分布,它具有1218個(gè)近場(chǎng)探頭,采用電子切換技術(shù),高速掃描PCB產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。是世界上唯一采用陣列天線和電子掃描技術(shù)的電磁場(chǎng)近場(chǎng)掃描系統(tǒng),也是唯一能獲得被測(cè)物完整電磁場(chǎng)信息的系統(tǒng)。

  先看一個(gè)實(shí)測(cè)的案例,在一塊多層PCB上,工程師把PCB的周圍敷上了一圈銅,如圖1所示。在這個(gè)敷銅的處理上,工程師僅在銅皮的開始部分放置了幾個(gè)過孔,把這個(gè)銅皮連接到了地層上,其他地方?jīng)]有打過孔。

  頻率22.894Mhz PCB不良接地的敷銅產(chǎn)生的電磁場(chǎng)

  在高頻情況下,印刷電路板上的布線的分布電容會(huì)起作用,當(dāng)長(zhǎng)度大于噪聲頻率相應(yīng)波長(zhǎng)的1/20時(shí),就會(huì)產(chǎn)生天線效應(yīng),噪聲就會(huì)通過布線向外發(fā)射。

  從上面這個(gè)實(shí)際測(cè)量的結(jié)果來看,PCB上存在一個(gè)22.894MHz的干擾源,而敷設(shè)的銅皮對(duì)這個(gè)信號(hào)很敏感,作為“接收天線”接收到了這個(gè)信號(hào),同時(shí),該銅皮又作為“發(fā)射天線”向外部發(fā)射很強(qiáng)的電磁干擾信號(hào)。

  我們知道,頻率與波長(zhǎng)的關(guān)系為f= C/λ。

  式中f為頻率,單位為Hz,λ為波長(zhǎng),單位為m,C為光速,等于3×108米/秒。對(duì)于22.894MHz的信號(hào),其波長(zhǎng)λ為:3×108/22.894M=13米。λ/20為65cm。

  本PCB的敷銅太長(zhǎng),超過了65cm,從而導(dǎo)致產(chǎn)生天線效應(yīng)。

  目前,我們的PCB中,普遍采用了上升沿小于1ns的芯片。假設(shè)芯片的上升沿為1ns,其產(chǎn)生的電磁干擾的頻率會(huì)高達(dá)fknee = 0.5/Tr =500MHz。對(duì)于500MHz的信號(hào),其波長(zhǎng)為60cm,λ/20=3cm。也就是說,PCB上3cm長(zhǎng)的布線,就可能形成“天線”。

  所以,在高頻電路中,千萬(wàn)不要認(rèn)為,把地線的某個(gè)地方接了地,這就是“地線”。一定要以小于λ/20的間距,在布線上打過孔,與多層板的地平面“良好接地”。

  對(duì)于一般的數(shù)字電路,按1cm至2cm的間距,對(duì)元件面或者焊接面的“地填充”打過孔,實(shí)現(xiàn)與地平面的良好接地,才能保證“地填充”不會(huì)產(chǎn)生“弊”的影響。

  由此,我們進(jìn)行如下延伸:

  Ø 多層板中間層的布線空曠區(qū)域,不要敷銅。因?yàn)槟愫茈y做到讓這個(gè)敷銅“良好接地”

  Ø 一塊PCB,不管有多少種電源,建議采用電源分割技術(shù),并且只使用一個(gè)電源層。因?yàn)殡娫磁c地一樣,也是“參考平面”,電源與地的“良好接地”是通過大量的濾波電容實(shí)現(xiàn)的,沒有濾波電容的地方,就沒有“接地”。

  Ø 設(shè)備內(nèi)部的金屬,例如金屬散熱器、金屬加固條等,一定要實(shí)現(xiàn)“良好接地”。

  Ø 三端穩(wěn)壓器的散熱金屬塊,一定要良好接地。

  Ø 晶振附近的接地隔離帶,一定要良好接地。

  結(jié)論:PCB上的敷銅,如果接地問題處理好了,肯定是“利大于弊”,它能減少信號(hào)線的回流面積,減小信號(hào)對(duì)外的電磁干擾。

THE END

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