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如何從EMI角度看PCBLayout法則如何從EMI角度看PCBLayout法則有以下幾個重點Point1:先了解導線或傳輸線的幅射或天線效應對應國際法規EMI幅射量測的討論範圍:30MHzto6GHz因為2.4GHz以上的高頻波長非常短,而且衰減極為快速所以僅討論30MHzto2.4GHzEdit:MikeYU編輯:余曉錡/2014當導線(金屬傳輸線)上有交變信號(電流或電壓)流動的時候，該導線就會產生電磁波的幅射效應交變信號源EFieldHFieldLλ:波長當導線(金屬傳輸線)長度(L)電磁波波長時，該導線所產生電磁波的幅射效應就很微弱當導線(金屬傳輸線)長度(L)電磁波波長時，該導線所產生電磁波的幅射效應就會變強λ:波長L一個半波(λ/2)的對稱振子可以做為一個拋物面天線的振源2臂長度相等的振子(Element)稱為對稱(Symmetrical)振子2個對稱的λ/4的振子，全長為λ/2的振子為一個半波對稱振子天線λ/4λ/4λ/2Balun異型半波(λ/2)的對稱振子可看成是將全波對稱振子折合成一個窄長的封閉的矩形框，並且把全波對稱振子的兩個端點相疊，這樣這個窄長的矩形框就變成一個折合振子，而這個折合振子的長度必須為半波(λ/2)波長，所以可以稱此為半波折合振子天線λ/2BalunPowerPlane的分割,不可以有同一個電壓分佈形成一個環狀,如此會造成一個大的電流環路面積,EMI雜訊會很難處理PowerPlane2.5V5V3.3V1.8V2.5VEMIBaddesignPCBLayout天線向周圍空間幅射電磁波，電場的方向就是天線極化(Polarization)的方向，一般使用的天線為單極化天線垂直極化(VP)E水平極化(HP)EElementVerticalPolarizationElementHorizontalPolarization電磁波幅射到了高頻，頻率很高，波長很短，所以也稱呼為微波它的地面波關係:從發射天線發出指向地面的電磁波，被地面反射而到達接收天線的接收點的電磁波稱為地面波當波程差為半個波長(λ/2)的奇數倍時，直射波與反射波相加，合成波程最大有效的傳遞距離Ri與發射及接收的天線距離地面的高度有直接的關係:Ri與天線高度HT與HRRi=(4HTHR)/λ(米)直線距離=λ/2半波對稱振子拋物面天線振源λ/2地面反射波ANTTXANTRX地面GNDPlaneHTHR電磁波幅射到了高頻，頻率很高，波長很短，所以也稱呼為微波它的直線極限距離:從發射天線發出經過自由空間傳送的直線運動電磁波，直接被接收天線的接收點的距離由於地球的曲率使空間波傳遞存在一個直線極限距離Rmax受地球曲率半徑的影響Rmax與發射及接收的天線距離地面的高度的關係:Rmax與天線高度HT與HRHTHRRmax傳輸線特性阻抗:Vp:相速(PhaseVelocity)C:微帶線單位長度的電容量Wh30MHz~2.4GHz的λ/4的效應12.5cm30cm33cm37.5cm43cm50cmλWavelength2400MHz1000MHz900MHz800MHz700MHz600MHzFrequency15cm18.75cm25cm37.4cm75cm250cmλ/4Wavelength3.125cm7.5cm8.25cm9.375cm10.75cm12.5cmλ/4Wavelength60cm500MHz75cm400MHz1M=100cm300MHz1.5M=150cm200MHz3M=300cm100MHz10M=1000cm30MHzλWavelengthFrequency電磁波的波長λ=C/FC:光速單位:米/秒F:頻率單位:Hzλ:波長單位:米從以下的λ/4所得到的傳輸線長度都大於現有的PCB板面積所以如果以單純的一條傳輸線的Layout是很容易控制該走線的長度(假設走線信號電流≤400mA)走線長度λ/4不容易有天線幅射效應走線長度≥λ/4一定會有天線幅射效應電磁域相關名詞說明電場(E)的單位:V/M磁場(H)的單位:A/ME/H:V/A=R單位Ω=377Ω(自由空間之電磁波阻抗)就是電磁波信號在空氣中的高頻阻抗(Z)電磁域相關名詞說明遠近場邊界與幅射源之間的距離記為X(單位:meter)其對應的頻率(單位:MHz)其關係式:48/3=16MHz(以3米量測距離16MHz視為近場量測≥16MHz視為遠場量測)48/10=4.8MHz(以10米量測距離4.8MHz視為近場量測≥4.8MHz視為遠場量測)電磁域相關名詞說明3米與10米距離量測之關係:10米距離的場強量測值+10.5dB=3米距離的場強量測值Point2:2平行微帶線的電場耦合2ParallelLineEFieldCouplingModelW≥2WW≤1WFR4ε=4.2FR4ε=4.2EMEnergyRadiatedLevelELineEFieldMFieldIPathλTestFrequency10MHzElectronCopperTraceCopperTrace平行線的耦合效應(線對線的電容性干擾)當2條以上的傳輸線相互平行則2條平行線之間會產生線對線的電容性耦合效應VN=jωRC12V1VN:產生於導體二及地間的雜訊電壓R:接於導體二的總電阻值ω:雜訊源的工作頻率C12:導體1及導體2之間的電容V1:雜訊源的工作電壓12TransmissionLineZoCoplanarw1w2hwMicrostripbaCoaxialTwisted-pairSignalAttenuationislowestat77ΩPowerhandingcapacitypeaksat30ΩTransmissionLineModelTransmissionLineModel(2)TransmissionLineZoTransmissionLineZo(lossless)Wouldyousaythatatransmissionlinedescribedbytheequationabovedissipatesanyenergy?Ans:Althoughthecharacteristicimpedance,Zo,isarealnumber,Thecircuitelementsintheequationarepurelyreactive.Nodissipatingelementsareinvolvedsonoenergyisdissipated.MicrostripZ0vs.Thickness50Ω理想傳輸線阻抗之設計‧Microstrip微帶線:50OhmlineinFR4hasw:h=2:1‧Stripline帶線:50OhmlineinFR4hasw:b=1:2‧AsymmetricStripline:50OhmlineinFR4hasw:h1=1:1,h2=2xh1WhWWbh2h1不同材質之50Ω理想微帶線之設計‧FR4(Er~4):50OhmlineinFR4hasw:h=2:1‧Al2O3氧化鋁(Er~9.9):50OhmlineinAl2O3hasw:h=1:1‧GaAs砷化鎵(Er~12.9):50OhmlineinGaAshasw:h=0.7:1WhWhWhPCBSatck‧2LayerPCB:至少要有一面為連續的地平面層，另一層為電源和信號的佈線層(如下頁圖示)‧4LayerPCB:信號線層‧電源層‧地層‧信號線層‧4層板的設計將引出2個高電容、低電感的佈線層，降低電源匯流排上的電壓瞬變,改善EMI性能•(圖一)(圖二)PCBStack•電源層•D•地層•上圖可看作為一個電容，電源層和地層是電容的2個極板。極板的距離越近,電容越大則阻抗越低，如此可以減低EMINoise。DrAoCεε=4層板:傳統的4層板厚度為62mil,電源分層間距為6mil,夾層介電材質為FR4,每平方英吋電源層的等效電容約為75pF.如果無成本要求為首要條件,則可參考以下的堆疊方案:方案1:如圖所示:PCB外層均為地層.地層中間兩層為信號/電源層.信號信號/電源層層上的電源用寬線走線.如此信號/電源層可使電源電流的路徑阻抗低地層信號微帶路徑的阻抗也低4LayerPCBStack4LayerPCBStack方案2:如圖所示:外層均為信號層.信號層中間兩層為地層/電源層.信號電源層層上的電源用寬線走線.如此地層可使電源電流的路徑阻抗低信號層信號微帶路徑的阻抗也低走線長度短於信號最高諧波波長的1/20將外層無元件或無走線區域舖銅填充並將覆銅區接地將舖銅區與內部接地層多點相連12.5cm30cm33cm37.5cm43cm50cmλWavelength2400MHz1000MHz900MHz800MHz700MHz600MHzFrequency3cm3.75cm5cm7.5cm15cm50cmλ/20Wavelength6.25mm1.5cm1.65cm1.875cm2.15cm2.5cmλ/20Wavelength60cm500MHz75cm400MHz1M=100cm300MHz1.5M=150cm200MHz3M=300cm100MHz10M=1000cm30MHzλWavelengthFrequency最大EMI發射頻寬•最大EMI發射頻率也稱為EMI發射頻寬，它是信號上升時間而不是信號頻率的函數。•計算最大EMI發射頻寬的公式:•F=0.35/τr最大F=頻率(GHz)τr=信號上升時間或下降時間(ns)範例:假設電路的Switch頻率為50MHz，採用IC的上升時間是1ns,試計算該電路的最大EMI發射頻寬?F=0.35/τrF=0.35/1=350MHz6LayerPCBStack6層板:方案1.如圖所示:將電源和地分別放信號層在第2和第5層,由於電源覆電源層銅阻抗高,對抑制共模EMI輻信號層射非常不利.信號層EMIBADDESIGN地層信號層6LayerPCBStack方案2.如圖所示.將電源和地放在第3和信號層第4層.如此解決電源覆銅阻抗問題信號層但第1和第6層的電磁屏蔽性能差電源層所以差模EMI變差了。地層解決方法可使外層的走線數量減少信號層走線長度短於信號最高諧波波長的信號層1/20將外層無元件或無走線區域舖銅填充並將覆銅區接地(每1/20波長為間隔)將舖銅區與內部接地層多點相連12.5cm30cm33cm37.5cm43cm50cmλWavelength2400MHz1000MHz900MHz800MHz700MHz600MHzFrequency3cm3.75cm5cm7.5cm15cm50cmλ/20Wavelength6.25mm1.5cm1.65cm1.875cm2.15cm2.5cmλ/20Wavelength60cm500MHz75cm400MHz1M=100cm300MHz1.5M=150cm200MHz3M=300cm100MHz10M=1000cm30MHzλWavelengthFrequency6LayerPCBStack方案3.將電源及地層置放於第2和第3層信號層第1層第4,5,6層為信號層電源層但第1和第6層的電磁屏蔽性能差地層所以差模EMI變差了信號層解決方法可使外層的走線數量減少信號層走線長度短於信號最高諧波波長的信號層1/20將外層無元件或無走線區域舖銅填充並將覆銅區接地(每1/20波長為間隔)將舖銅區與內部接地層多點相連6LayerPCBStack方案4.將電源及地層置放於第4和第5層信號層第1,2,3層第6層為信號層信號層但第1和第6層的電磁屏蔽性能差信號層所以差模EMI變差了電源層解決方法可使外層的走線數量減少地層走線長度短於信號最高諧波波長的信號層1/20將外層無元件或無走線區域舖銅填充並將覆銅區接地(每1/20波長為間隔)將舖銅區與內部接地層多點相連6LayerPCBStack方案5.高性能6層板的堆疊(三明治夾層)第1和第6層為地層,第3層為電源地層第4層為地.第2及第5層為信號層信號層由於信號線層夾藏於接地和電