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多层布线的发展及其在电源电路电磁兼容设计中的应用

  随着现代电子设备工艺结构的发展,印制电路板已取代了以往的许多复杂配线,为设备的制造和维修提供了极大的方便。另一方面,集成电路的迅猛发展更加促进了印制电路技术的飞速发展。目前,电子设备中常用的印制电路板有以下几种:一种为单面布线印制制板,它是一个表面有铜箔且厚度为0.2―5.0mm的缘缘基板上形成印制电路,适用于一般要求的电子设备,如收音机等。另一种为双面布线印制板,是在两个表面有铜箔且厚度为0.2~5.0mm的绝缘基板上形成印制电路,提高了布线密度,减小了设备体积,适用于电子仪器、仪表等。还有一种就是极富生命力的多层布线印制电路板,它是通过几层较薄的单面或双面板粘合,在绝缘基板上形成三层以上的印刷电路而制成。它与集成电路配合使用,可以减小电子产品的体积与重量;通过增设屏蔽层,可以提高电路的电气性能。如今,大规模和超大规模集成电路已在电子设备中得到广泛应用,而且元器件在印刷电路板上的安装密度越来越高,信号的传输速度更是越来越快,由此而引发的EMC问题也变得越来越突由。单面、双面布线已满足不了高性能电路要求,而多层布线电路的发展为解决以上问题提供了一种可能,并且其应用正变得越来越广泛。

  电源有如人体的心脏,是所有电设备的动力。电源电路的选择和设计直接关系到设备的EMI/EMC规范,甚至关系到设备的基本性能。本文通过分析多层布线的特点及其发展,探讨了电源电路中EMI产生的原因,给出了多层布线的一些布线规则及抑制EMI的措施,最后介绍PROTEL99SE软件及其应用。

  1 多层布线给出了多层电路板结构层面剖视图。多层板是通过电镀通孔把重叠在一起的n层印制电路板连接成一个整体。

  由公式(2)、(3)可以看出,印制导线的长度、厚度一定时,增加导线的宽度可以减小导线的特性阻抗,从而相应地减小公共阻抗的干扰。

  (2)多层板采用专门地线层,对信号线而言都有均匀接地面,信号线的特性阻抗稳定,易匹配,减少了反射引起的波形畸变。

  在电路设计中发现,当印制电路板上装有多个集成电路,并且其中有些元件耗电很多时,地线上会出现较大电位差。原因集成电路的开关电流i与电源线和地线电阻R和电感L造成电压降所至。可通过下式来描述:

  由式(4)可以看出,通过减小R和L将使电压降能够显著减小。而多层板设计中,信号线与地层之间有均匀接地面,减小了R、L,保证了地线)采用专门的地线层加大了信号线和地线之间的分布电容,减小了串扰。

  串扰是指两个或更多导体靠得比较近时,它们之间会有容性耦合,一个导体上的电压大幅度变化时会向其它导体耦合电源。通常耦合电容反比于导体间的距离而正比于导体的面积。而在通过减小相邻导体间的面积并增大相邻距离,有利于减小串扰。采用多层布线,由于增加了独立地线层,大功率接地层上的噪声就不会注入到其它层面上去,从而减小了高频电流对敏感电路的影响。

  上面分析了多层布线不同于单面、双面布线的特点。正是由于多层布线具有这些特点,从而为电路设计人员提供了一种理想的解决噪声问题的途径。在常规则的电路设计中,去耦电容安装得当可以使串联阻抗减小80%左右。但是,这种大幅度抑制电源电压波动的措施,实质上是一种补救办法。更好的方法是不断完善供电线路的设计,而多层布线的发展为其提供了一种可能。当然,多层电路板还存在加工工艺复杂、成本高的特点,这是阻碍其发展的因素。但随着印刷电路板技术的发展及大规模生产,多层电路板的使用将变得越来越广泛。

  电磁兼容(EMC)是指对电磁环境进行设计的学科领域,通过研究和分析预测电磁干扰,提供抑制干扰的有效技术,进行合理设计,从而使电子系统和设备在共同电磁环境中不受?/div>

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