电路设计

PCB的敷铜是否必要的讨论

2019-07-14 08:03发布

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      出于让PCB 焊接时尽可能不变形的目的，大部分PCB 生产厂家会要求PCB 设计者在PCB 的空旷区域填充铜皮或者网格状的地线。但是我们的工程师对这个“填充”不敢轻易使用，也许是因为在PCB 调试中，曾经吃过“苦头”，也可能是专家们一直没有给出明确的结论。究竟敷铜是“利大于弊”还是“弊大于利”，本文用实测的角度来说明这个问题。
             下面的测量结果是利用EMSCAN 电磁干扰扫描系统获得的，EMSCAN 能使我们实时看清电磁场的分布，它具有1280 个近场探头，采用电子切换技术，高速扫描PCB 产生的电磁场。是世界上唯一采用阵列天线和电子扫描技术的电磁场近场扫描系统，也是唯一能获得被测物完整电磁场信息的系统。
         先看一个实测的案例，在一块多层PCB 上，工程师把PCB 的周围敷上了一圈铜，在这个敷铜的处理上，工程师仅在铜皮的开始部分放置了几个过孔，把这个铜皮连接到了地层上，其他地方没有打过孔。

     在高频情况下，印刷电路板上的布线的分布电容会起作用，当长度大于噪声频率相应波长的1/20 时，就会产生天线效应，噪声就会通过布线向外发射。容向系统科技有限公司 EMSCAN 在电子产品设计中的应用——PCB 敷铜问题
             从上面这个实际测量的结果来看，PCB 上存在一个22.894MHz 的干扰源，而敷设的铜皮对这个信号很敏感，作为“接收天线”接收到了这个信号，同时，该铜皮又作为“发射天线”向外部发射很强的电磁干扰信号。
      我们知道，频率与波长的关系为f＝ C/λ。式中f 为频率，单位为Hz，λ为波长，单位为m，C 为光速，等于3×108 米/秒，对于22.894MHz 的信号，其波长λ为：3×108/22.894M=13 米。λ/20 为65cm。本PCB 的敷铜太长，超过了65cm，从而导致产生天线效应。目前，我们的PCB 中，普遍采用了上升沿小于1ns 的芯片。假设芯片的上升沿为1ns，其产生的电磁干扰的频率会高达fknee = 0.5/Tr ＝500MHz。对于500MHz 的信号，其波长为60cm，λ/20=3cm。也就是说，PCB 上3cm 长的布线，就可能形成“天线”。所以，在高频电路中，千万不要认为，把地线的某个地方接了地，这就是“地线”。一定要以小于λ/20 的间距，在布线上打过孔，与多层板的地平面“良好接地”。
             对于一般的数字电路，按1cm 至2cm 的间距，对元件面或者焊接面的“地填充”打过孔，实现与地平面的良好接地，才能保证“地填充”不会产生“弊”的影响。
 由此，我们进行如下延伸：
 Ø 多层板中间层的布线空旷区域，不要敷铜。因为你很难做到让这个敷铜“良好接地”
 Ø 一块PCB，不管有多少种电源，建议采用电源分割技术，并且只使用一个电源层。因为电源与地一样，也是“参考平面”，电源与地的“良好接地”是通过大量的滤波电容实现的，没有滤波电容的地方，就没有“接地”。
 Ø 设备内部的金属，例如金属散热器、金属加固条等，一定要实现“良好接地”。
 Ø 三端稳压器的散热金属块，一定要良好接地。
 Ø 晶振附近的接地隔离带，一定要良好接地。
结论：PCB 上的敷铜，如果接地问题处理好了，肯定是“利大于弊”，它能减少
信号线的回流面积，减小信号对外的电磁干扰。

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