PCB知识补充

系列文章目录

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参考文献

[1]牛森,张敏娟,银子燕.高速PCB多板互联的电源完整性分析[J].单片机与嵌入式系统应用,2023,23(09).

[2]陈之秀,刘洋,张涵舒等.高频率高密度电力电子系统PCB的优化设计研究[J].电气传动,2023,53(01):

[3]凌林玉.试析PCB设计中的电磁兼容问题[J].长江信息通信,2023,36(02):

[4]付可心,曾敏华.一种提升PCB载流能力的设计方法[J].工业控制计算机,2023,36(06):

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PCB知识

ESR：等效串联电阻（寄生电阻）（Equivalent Series Resistance）
ESL：等效串联电感（寄生电感）
常在大功率/高频中考虑

IR Drop：（V=I*R）压降，电源和地网络上电压的下降或者升高的现象，电路在直流电阻造成的压降。
常见的过压问题：
1.器件由于过压或者欠压而不能正常工作；
2.局部区域电流密度过大，引起此区域温度持续升高甚至烧毁；
3.I/O网络中的电阻过大，导致有用信号严重衰减；

copper covering area：敷铜区域
through-hole： 过孔
semiconductors：半导体
copper foil area：铜箔区域
parasitic：寄生的

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互连线电阻

PCB上的互联体是铜导体，也有电阻，单位长度的直流电阻为：

σ表示电导率，A表示过流面积。铜的电导率为5.8×107 S／m（S：西门子），最后得出：0.269欧姆/米（10mil宽度）
1mil=0.0254mm
改变互连线线宽或者增加覆铜面积都可以有效减小走线的直流电阻。

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过孔/铜箔电流能力

电流能力计算公式：

I为最大通流，单位为安培(A)；
K是与环境相关的常量，分别为内层线和外层线，内层线的取值为0.024，外层线的取值为0.048；
T为通流路径上最大容许的温升，单位为℃；
A为通流路径的横截面积，单位是平方密耳(mil²)

铜箔载流能力

所以这也是为什么铺铜的时候是按照最窄处计算的。
按照10mil的线宽，在内层布线，1oz的铜厚，计算可得大概在0.4A左右。
1oz=0.0356mm=1.2mil

可以看到10mil的情况下过电流也不是很大

可以通过加宽线宽的方式。

铜厚影响载流能力，还影响整板的阻抗匹配，所以可以通过增加层数的方式，增加铺铜层数

过孔载流能力

过孔的横截面与外径无关，铜厚主要是过孔内径铺在表面，一般铺1oz厚的,算出横截面后还是用上面的电流能力公式计算。

d 为孔径，h 为孔内壁的沉铜厚度，假设在过孔处控制沉铜规格为 1 oz/m²

10mil孔径情况下，温升10°，同流能力为1.16A，一般取1A。

过孔优化：（部分过孔电流过大）
1.增加过孔的数量，但要放置得当；
2.增大过孔的孔径，但会影响走线；
3.在大电流过孔靠近GND引脚处，增加回流过孔，共同分担电流；
4.删除非功能性过孔，可以让出更多的铺铜区域

在信号1GHz以上且需要过孔变层，过孔会产生ESR、ESL的问题，可通过降低PCB的厚度，在信号附近放置GND过孔优化。

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热设计

过孔阵列中，过孔间距越小，单位热阻越小，越有利于散热，但一般看制造商允许多少吧

常见的PCB介质材料是环氧玻璃布基FR4，FR4的导热率只有0.29 W／(m·K)，而铜的导热率为393 W／(m·K)，因此电路板上的热量主要是依靠铜箔传递。发热元件最好放在铜箔中心，影响的面积大概是20mm*20mm。而在增加了过孔的情况下，散热情况大幅度提高。

热设计准则：
1.过孔间距尽可能的小；
2.过孔无填充时，过孔直径0.25 mm散热效果最佳；
3.当填充物的导热率小于60 W／(m·K)时，会有对应的最佳过孔直径，当导热率大于60 W／(m·K)时，直径越大越好；
4.仅通过铜箔进行散热时，散热铜箔面积小于10 cm²时，可以在节约面积的情况下有效散热。(不加过孔阵列)

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电磁兼容及部分要求

电磁兼容（EMC）：电子设备（系统）在所处电磁环境中能够正常、稳定的工作，并且自身工作不会对同一环境中的其他电子设备（系统）造成干扰。电磁兼容包含电磁抗扰（EMS）和电磁干扰（EMI）。

减少关键信号（尤其是电源信号）的回路面积是提升 PCB电磁兼容性最有效的方法，如：尽可能缩短地线与信号线间的距离，使二者间的距离等于 PCB 的层间距离。这样便可最大限度减小板上信号的回路面积，从而达到减小 PCB差模辐射，提高电磁抗扰能力。

PCB 时钟频率≥5MHZ 或者脉冲上升时间小于5ns 时，必须选用多层板。同时，为提升 PCB 的电磁兼容性，应优先选用基板材料相对介电常数较大的多层板。

避免电磁兼容问题：
1.电源、功率输出器等易发热元件远离关键电路，设置在 PCB 边缘区域或偏上方区域，以便更好散热；
2.敏感元件远离 CPU 时钟发生，在其周围的电源铜箔上蚀刻出马蹄形；
3.为了减小共模电流辐射，将所有连接器元件统一设置在 PCB 的一侧；
4.引线长度超过的噪声频率波长的 1/20产生天线效应，带来明显电磁干扰，缩短高速器件的走线长度，并尽量将其设置在远离连接器的地方。采用 I/O 驱动器与连接器相邻布置的方式，减少 I/O 信号的走线距离，以此耦合干扰信号；
5.对于动作电平差异大或者工作频率接近的元件，应增大元件的间距，避免工作中相互干扰。对于振荡器、时钟发生器等运行噪声较大的元件，可集中设置在远离逻辑电路部分的地方；
6.设置 EMI滤波器

串音：串音一般可以分为由于电磁场耦合引起的串音，或者由于公共阻抗耦合引起的串音。公共阻抗耦合引起的串音，是不同信号在共用相同返回路径时产生的，这种耦合常常在低频时起到较大的作用

地弹跳的内在原理。地弹跳一般是指在 PCB 系统运行时，某集成电路开关时，由于地线、集成电路的接地引线具有电感，引起器件内部的电位短暂下降，此时来自其他器件内的输出驱动信号是以外部系统作为参考的，参考电位的不一致会引起器件输入、输出电平的变化，从而引起信号稳定性的问题

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