經(jīng)常看到很多工控板或者射頻板在PCB板的四周會(huì)打上一圈的過孔和銅帶，甚至有些射頻板會(huì)在四周板邊進(jìn)行金屬化包邊，這樣做是啥套路？難道是攻城獅在裝13嗎？
多層PCB的板邊輻射是常見的電磁輻射源
現(xiàn)今，隨著系統(tǒng)速率的提高，不僅僅是高速數(shù)字信號(hào)的時(shí)序、信號(hào)完整性問題突出，同時(shí)因系統(tǒng)中高速數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生的電磁干擾及電源完整性造成的EMC問題也非常突出。高速數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生的電磁干擾不僅會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)部的嚴(yán)重互擾，降低系統(tǒng)的抗干擾能力，同時(shí)也會(huì)向外空間產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射，引起系統(tǒng)的電磁輻射發(fā)射嚴(yán)重超過EMC標(biāo)準(zhǔn)，使得產(chǎn)品不能通過EMC標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。多層PCB的板邊輻射就是比較常見的電磁輻射源。
當(dāng)非預(yù)期的電流達(dá)到接地層和電源層的邊緣時(shí)，便發(fā)生邊緣輻射。這些非預(yù)期的電流可能源自:
- 電源旁路不充分所產(chǎn)生的接地和電源噪聲。
- 感性過孔所產(chǎn)生的圓柱形輻射磁場(chǎng)，它在電路板各層之間輻射，最終在電路板邊緣會(huì)合。
- 承載高頻信號(hào)的帶狀線回流電流與電路板邊緣靠得太近。
造成電源噪聲的根源
造成電源噪聲的根源主要在于兩個(gè)方面:一是器件高速開關(guān)狀態(tài)下，瞬態(tài)的交變電流過大；二是電流回路上存在的電感。從表現(xiàn)形式上來看又可以分為三類:
- 同步開關(guān)噪聲(SSN)，有時(shí)被稱為ΔI噪聲，地彈(Ground bounce)現(xiàn)象也可歸于此類；
- 非理想電源阻抗影響；
- 諧振及邊緣效應(yīng)。
在高速數(shù)字電路中，當(dāng)數(shù)字集成電路加電工作時(shí)，它內(nèi)部的門電路輸出會(huì)發(fā)生從高到低或者從低到高的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，即”0″和”1″間的轉(zhuǎn)換。在變化的過程沖，門電路中的晶體管將不停地導(dǎo)通和截止，這時(shí)會(huì)有電流從所接電源流入門電路，或從門電路流入地平面，使電源平面或地平面上的電流產(chǎn)生不平衡，從而產(chǎn)生一個(gè)瞬間變化的電流△I。這個(gè)電流在流經(jīng)回流路徑上存在的電感時(shí)會(huì)形成交流電壓降，進(jìn)而引起噪聲。如果同時(shí)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換的輸出緩沖器較多時(shí)，這個(gè)壓降足夠大，從而導(dǎo)致電源完整性問題，將這種噪聲稱為同步開關(guān)噪聲（Simultaneous Switch Noise）SSN。
電源交流噪聲會(huì)在電源層及地層之間，利用這兩個(gè)平面的諧振腔模式傳導(dǎo)交流噪聲，傳到平面邊緣就會(huì)輻射到自由空間中，這會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品EMI過不了認(rèn)證。
對(duì)于過孔產(chǎn)生的噪聲，我們知道，PCB上互聯(lián)的信號(hào)線包括pcb外層的微帶線及內(nèi)層處于兩平面間的帶狀線以及信號(hào)換層起連接作用的電鍍過孔（過孔細(xì)分為通孔、盲孔、埋孔），處于表層的微帶線和處于兩平面間的帶狀線通過良好的參考平面層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以良好的控制輻射。
而過孔在垂直方向上貫穿多個(gè)疊層，當(dāng)高頻信號(hào)傳輸線通過過孔換層時(shí)，不但傳輸線的阻抗發(fā)生的變化，信號(hào)回流路徑的參考平面也發(fā)生了變化，當(dāng)信號(hào)的頻率相對(duì)較低時(shí)，通孔對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懣梢院雎圆挥?jì)，但是當(dāng)信號(hào)頻率上升到射頻或者微波頻段時(shí)，由于過孔的參考平面變化造成電流返回路徑的變化，該過孔會(huì)產(chǎn)生的TEM波，會(huì)在在兩平面形成的諧振腔間橫向傳播，最終通過pcb的邊緣向外輻射到自由空間中，造成EMI指標(biāo)超標(biāo)。
OK，現(xiàn)在我們知道了對(duì)于高頻高速PCB，會(huì)在PCB的板邊產(chǎn)生邊緣輻射問題，那如何進(jìn)行防護(hù)呢？
多層PCB板邊輻射的防護(hù)措施
產(chǎn)生EMC 問題的三個(gè)要素是：電磁干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備
敏感設(shè)備我們控制不了，切斷耦合路徑比如加個(gè)金屬屏蔽設(shè)備外殼等，這里不講，就剩下如何想辦法干掉干擾源了。
首先要優(yōu)化PCB上的關(guān)鍵信號(hào)走線，避免自身出現(xiàn)EMI問題，多于換層的過孔，我們可以在關(guān)鍵信號(hào)的過孔四周打上接地過孔，為關(guān)鍵信號(hào)的過孔提供額外的回流路徑。
嗯，對(duì)于減少PCB邊緣輻射，之前聽說過一個(gè)20H規(guī)則，20H規(guī)則最早乃由W.Michael King于1980年所提出，并由Mark.I.Montrose 于其著作中闡述，而受經(jīng)營(yíng)重視，并經(jīng)常被列為重要的EMI設(shè)計(jì)規(guī)則，其中 H 指的是板子的厚度，即電源平面比地平面內(nèi)縮個(gè)20H的距離。
為了降低邊緣輻射這效應(yīng)，電源平面應(yīng)較相鄰之地平面內(nèi)縮，電源平面內(nèi)縮約10H 則效果不明顯；電源平面內(nèi)縮20H 時(shí)，則吸收70%邊際通量邊界(Flux Boundary)；電源平面內(nèi)縮100H 時(shí)，則可吸收98%的邊際通量邊界；因而內(nèi)縮電源層能有效抑制邊際效應(yīng)所造成的輻射。
20H規(guī)則已經(jīng)不適合現(xiàn)在的高頻高速PCB設(shè)計(jì)，以前的印刷電路板面積較大，內(nèi)縮而造成的平面天線共振頻率上升較不明顯；現(xiàn)今因PCB板面較小，內(nèi)縮電源層設(shè)計(jì)的輻射強(qiáng)度隨著不同內(nèi)縮電源層尺寸共振點(diǎn)變化較顯著，而造成高頻會(huì)出現(xiàn)較高的輻射能量。
使用內(nèi)縮20H 的方式并無法完全解決輻射的下降，雖然，430MHz 以下頻率有改善，而40H 則對(duì)590MHz 以下頻率有改善，但因面積縮小使得共振頻率變高，對(duì)于共振頻率更高頻段之輻射抑制是無幫助的。
EMI 未來的設(shè)計(jì)，因內(nèi)縮電源層 20H 將無幫助，且板子愈小則愈高頻的輻射會(huì)因改變平面天線 效應(yīng)而更嚴(yán)重，所以 20H 的理論已不合目前的實(shí)際需求。
既然20H規(guī)則對(duì)目前的高頻高速PCB設(shè)計(jì)已經(jīng)變得無效了，那對(duì)于干掉pcb板邊輻射這個(gè)干擾源來說，就得采用屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)邊緣進(jìn)行處理，從而將噪聲反射回內(nèi)層空間中，這會(huì)增加這些層上的電壓噪 聲，但邊緣輻射得到降低。
多層PCB板邊輻射防護(hù)的低成本實(shí)現(xiàn)方法
低成本的實(shí)現(xiàn)方法就是在PCB的四周以1/20波長(zhǎng)孔間距打上一圈接地過孔，形成接地過孔護(hù)盾，防止TME波對(duì)外輻射。
而對(duì)于微波電路板，其波長(zhǎng)進(jìn)一步變小，而由于PCB生產(chǎn)工藝現(xiàn)在，孔與孔之間的間距不能做的很小，此時(shí)已1/20波長(zhǎng)的間距在PCB四周打屏蔽過孔的方式對(duì)于微波板作用已經(jīng)不太明顯，這時(shí)就需要采用PCB版本金屬化包邊工藝，將整個(gè)板邊用金屬包圍起來，從而使微波信號(hào)無法從PCB板邊輻射出去，當(dāng)然，采用板邊金屬化包邊工藝，也將會(huì)導(dǎo)致PCB的生產(chǎn)制造成本增加許多。
對(duì)于射頻微波板，某些敏感電路，以及有強(qiáng)烈輻射源的電路可以設(shè)計(jì)一個(gè)在PCB上焊接的屏蔽腔，PCB 在設(shè)計(jì)時(shí)要加上“過孔屏蔽墻”，就是在PCB上與屏蔽腔壁緊貼的部位加上接地的過孔。這樣就形成了一個(gè)個(gè)相對(duì)隔離的區(qū)域。
過孔屏蔽墻的設(shè)計(jì)要求如下：
- 有兩排以上的過孔；
- 兩排過孔相互錯(cuò)開；
- 同一排的過孔間距要小于λ/20；
- 接地的PCB銅箔與屏蔽腔壁壓接的部位禁止有阻焊。
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