你不知道的公版PCB冷知识!

原创 韬略科技EMC 2021-10-29 17:00

什么是公版PCB  

公版PCB一般是指按照芯片厂家提供的标准规格元件,标准规格板型布线去生产设计的PCB板!在这个定义的基础上,还有一种公版PCB被尊称为“核心板”,顾名思义就是整个机器的核心部分。核心板是将MINI PC的核心功能打包封装的一块电子主板,大多数核心板集成了MCU,存储设备和引脚,通过引脚与配套底板连接在一起从而实现某个领域的系统芯片。而这种样式的PCB因为与邮票的外形十分相似,又被亲切的称为“邮票板”。

公版PCB的时钟问题

公版PCB中核心板的EMC问题屡见不鲜,究其原因还是因为前期的设计与规划,并没有重视EMC这个问题。因为核心板集成了MCU、存储、还有数据分析等核心电路,而这些芯片之间的数据传输速率都在几十或者几百MHz以上,所以很容易成为EMC问题中的时钟辐射超标的源头。

这类时钟信号超标的问题,往往也不是因为晶振或者IC它们自身能量过强造成。而是因为整个核心板一直都在对外发送一个频率比较高的脉冲信号,周边外接走线一般也不会去做针对性的处理,导致这些走线就成为了这些高频脉冲信号的辐射天线。对于这种EMC时钟问题,前期layout的时候,没有合理的去规划与布局,后期的整改是非常痛苦的,以下几点方法可以有效的优化PCB的EMC时钟问题。

第一种方法就是在晶振与主控IC之间加展频芯片或者将晶振本身更换为展频晶振,为时钟问题做一个预留的抑制方法。用展频技术来抑制时钟问题,也是被各大芯片厂商所认可的方法,他们在自家的芯片上也作了展频功能的预留。

PS:什么是展频?通过对尖峰时钟进行调制处理,使其从一个窄带时钟变为一个具有边带的频谱,将尖峰能量分散到展频区域的多个频率段,从而达到降低尖峰能量,抑制EMI的效果!
第二种方法,对高频信号走线做滤波处理,难的并不是滤波方法而滤波位置的选择!高频信号做滤波最怕的就是影响信号的完整性,所以在做滤波电路的时候,一般都会选择RC结构的滤波电路。在设计这个滤波电路的时候,很多工程师都会出现这样的一个误区!

虽然根据欧姆定律I=U/R,电流不会因为电阻的位置变化而出现电流大小的变化。但是从EMC角度来说,E=K*I*L*F/D辐射强度E与辐射天线长度L成正比,L越长E也就会越大,所以电阻在回路上位置的不同,是能够影响整个电路的辐射能力。滤波位置越靠近芯片(核心板上芯片处是滤波的最好位置),对辐射的抑制效果越好。

第三种方法,对敏感信号和高频信号进行包地处理!对信号线包地的目的不仅仅只是为了防护信号之间的串扰,还可以进一步的减小信号回流的面积,可以参考下图的回路1与回路2的面积对比,回路面积越大,EMC辐射能力也会越强。

而包地是指紧挨着信号线分别在其左右layout一条干净的“GND”走线,这样的布局可以最大程度上减小信号回流的面积。在多层板上,包地可能没有那么困难与麻烦,但是在双层板与四层板上做包地时,处理不好甚至还会恶化信号的辐射问题!
在做包地的时候,不是说只要有两条地线就可以了!首先这两条地线本身是否“干净”,是否与同一层的地有连接,不要两根地线悬空在那里形成“死地”,其次还需要在包地的地线上做多个过孔,确保地线的接地阻抗最小,防止阻抗过高,失去包地的效果。

总结

公版PCB的应用,在方便生产与研发的同时,也容易让人疏忽核心板的EMC时钟辐射问题。如何去规避时钟问题,需要做到前期layout的时候对晶振源头去做展频功能的预留;在时钟与高频信号的走线最前端做滤波,减小辐射天线的长度;在高频时钟信号与敏感信号周边做包地处理,不仅减少信号的回路面积,也减少了信号之间的串扰!(以后,聊聊公版PCB的静电问题)


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