CN202425186U - 一种pcb板 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种PCB板，该PCB的信号走线跨越参考平面的分割处或平面的沟槽处，在所述信号走线跨越参考平面的分割处或平面的沟槽处设置有提供回流路径的电容。本实用新型的一种PCB板，减少了信号回路面积，提高了印刷电路板的电磁兼容性，还降低了电子产品的成本。

Description

一种PCB板

技术领域

本实用新型涉及印刷电路板设计技术领域，尤其涉及一种PCB板。 

背景技术

随着科学技术的不断发展，芯片的工作频率越来越高，在目前几乎所有的电子产品中都会用到工作频率上百MHz的芯片，有些甚至上GHz。信号的上升速度也越来越快，电子产品的整体信号运行速率越来越快，噪声容限越来越低，SI(Signal Integrity，信号完整性)、PI(Power Integrity，电源完整性)、EMC(Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性)的问题越来越突出。人们通常要求电子产品具有电磁兼容性，即是指电子设备或系统在其电磁环境中能正常工作并且不会对其工作环境中的任何事物(人或电子设备等)产生不可承受的电磁干扰能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面指设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗干扰度，即电磁敏感性。所以电子产品都需要通过相关的标准认证，才能进入相应市场，如3C认证(China Compulsory Certification，中国强制性产品认证制度)、CE(Conformite Europeenne，欧盟)认证、美国的FCC(Federal Communications Commission，美国联邦通信委员会)认证等相关EMC认证，这对PCB(Print Circuit Board，印刷电路板)的设计将是一个很大的挑战。 

为了使电子产品能够满足EMC，常用的措施是为印刷电路板加屏蔽盒，对产品进行屏蔽，从而达到满足电磁兼容性能的要求。但是上述加屏蔽盒的做法在价格上会有相应增加，而用户则通常是希望电子终端产品外形美观，价格便宜，且能满足相关电磁兼容性的标准认证。因此，电子终端产品最好能在不采取任何屏蔽措施的情况下，在电路板级就能满足电磁兼容性能的要求，即是在印刷电路板设计时就考虑电磁兼容设计，并使其满足相关的电磁兼容性，从而降低电子产品的成本。 

通常电路板上都存在着两种辐射：差模辐射和共模辐射，其中差模辐射是影响电磁兼容性很重要的一个方面。如图1所示，信号由信号驱动端发送到信号接收端，而按照电流总要形成回路的规律，发送到信号接收端的信号会找一条返回到信号驱动端的路径，这就是回流路径。因此信号路径和回流路径就会产生电流环，要是电流环的面积比较大的话，就等似于一个环形天线，从而形成差模电流的差模辐射。 

信号的差模辐射电场强度表达式为： 

$\left|E\right|=2.6f^2\frac{A}{d}I$

其中，E表示电磁波干扰的电场强度，f表示信号频率，I表示信号电流的大小，A表示信号流过的回路面积，d表示与辐射源的距离。从上式中可以看出，信号的辐射电场强度不仅与信号频率和信号电流的大小成正比，而且与信号流过的回路面积也成正比。但在实际设计中，所使用芯片的工作频率不但无法降低，还会越来越高，信号的工作电流也是一个固定值，也就是说基本很难采取降低信号频率和减小信号电流的方法来降低信号的辐射，因此只能通过减小信号回路面积才能有效的降低信号辐射。 

为了减小信号的回路面积，现有的板级EMC设计布线时通常采用完整的电源平面或地平面给信号提供理想的参考平面，缩短信号回流路径，减小回路面积来降低信号辐射。如图2所示，当地平面或电源平面能为信号走线提供完整参考平面的时候，按照信号总是找阻抗最小的信号路径进行传输信号的规律，回流信号也同样是遵守以阻抗最小的路径来回流到信号发出端，因此完整参考平面的信号回流路径就是信号走线所垂直映射到参考平面上的路径，这样信号电流与回流信号的电流所组成的信号回路面积最小，从而差模辐射也最小。 

目前，在高速电路板设计的情况下，尤其在高速多层电路板设计中，板级上的电源种类越来越多，同一电压幅度的主级与次级电源也分得也来越细，导致信号线完全不可避免会出现跨越分割区域的情况。如图3所示，信号线有一 部分跨越在平面的分割处或平面的沟槽处，所以这条信号线的参考平面是不完整的。虽然信号线的参考平面不完整，但信号的电流路径还是在这条走线上，从芯片1流向芯片2。而信号回流路径就不能从信号走线所垂直映射到参考平面上的路径回流到芯片1，需要绕过平面分割处或平面沟槽来回流到芯片1，从而造成信号回路面积增大，辐射增强，EMC性能降低的问题。 

为了解决参考平面出现分割时不能为信号线提供完整参考平面的问题，在现有技术中是采用在每条信号线旁进行包地走线处理，利用信号线旁边的地线对信号线进行屏蔽，就近为信号线提供信号回流路径，从而达到减小信号回路面积，满足EMC要求的目的。但是进行包地处理的方法不但减少了将近一半的走线面积，还增加了PCB设计的难度及层数，增加了成本；特别是在现在应用越来越多的高密度互连PCB板中，根本不可能实现每条信号线旁进行包地走线的处理。 

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种PCB板，能够有效减小信号的回路面积，从而提高印刷电路板的电磁兼容性。 

本实用新型的一种PCB板，该PCB板的信号走线跨越参考平面的分割处或平面的沟槽处，在所述信号走线跨越参考平面的分割处或平面的沟槽处设置有提供回流路径的电容。 

本实用新型还提供另外一种PCB板，该PCB板的信号走线跨越两个以上参考平面，在所述信号走线跨越的形成平面分界处的地方设置有提供回流路径的电容。 

本实用新型还提供另外一种PCB板，该PCB板的信号走线跨越一个孤立的参考平面，在该参考平面四周的平面分界处设置有提供回流路径的电容。 

本实用新型的一种PCB板，通过在有分割的参考平面上设置提供回流路径的电容，解决了目前高速、多层PCB板设计时信号回路面积较大从而导致的辐 射大、电磁兼容性能低的问题，本实用新型的PCB板能够较容易的通过电磁兼容性相关标准认证。而且本实用新型的PCB板还解决了高速、多层PCB板要以完整地平面或电源平面作为参考平面，不能以不完整的地平面或电源平面作为参考平面的问题，减少了完整地平面的层数，从而减少PCB的层数，降低了电子产品的成本。 

附图说明

图1为形成回路面积的差模电流导致差模辐射的示意图； 

图2为完整参考平面的信号走线和信号回流路径示意图； 

图3为信号走线跨越平面分割处或平面沟槽(不完整的参考平面)而形成较大面积的差模辐射电流环示意图； 

图4为本实用新型实施例1中信号走线跨越平面分割处或平面沟槽(不完整的参考平面)时，信号的回流路径示意图； 

图5为本实用新型实施例1中应用本实用新型的方法后，信号走线跨越平面分割处或平面沟槽(不完整的参考平面)时，信号的回流路径示意图； 

图6为通过ADS仿真软件对0402封装，1nF容值的电容，从0GHz到10GHz的频率扫描所得的阻抗S参数图； 

图7为信号走线跨越两个参考平面的示意图； 

图8为信号走线跨越两个参考平面的处理方法示意图； 

图9为信号走线跨越多个参考平面(其中包括一个孤立的参考平面)的示意图； 

图10为信号走线跨越多个参考平面(其中包括一个孤立的参考平面)的处理方法示意图； 

其中，101为信号线；102为信号的电流方向；103为信号流过的回路面积；104为回流信号的电流方向；105表示接地；106为地线；201为参考平面(整 个阴影面)；202为信号在参考平面的回流路径；301为平面分割处或平面沟槽；501为电容；701为通孔；702、703为两个参考平面，分别为参考平面一、参考平面二；901-906为六个参考平面，分别为平面1、平面2、平面3、平面4、平面5、平面6；1001为BGA封装的芯片。 

具体实施方式

本实用新型提供一种PCB板，能够解决目前高速、多层PCB板设计时，高速信号线不可避免跨越参考平面而带来信号回路面积较大，并导致辐射加大、电磁兼容性能低而难以通过电磁兼容相关标准认证的问题。下面结合附图详细描述本实用新型的实施例。 

实施例一 

如图4所示，当信号走线跨越平面分割处或平面沟槽(不完整的参考平面)时，按照信号总是寻找阻抗最小的信号路径进行传输信号的规律，回流信号也是遵守以阻抗最小的路径来回流到信号驱动端。假设图4的驱动信号的频率为2GHz；参考平面不是地平面，而是3.3V的电源平面。显然如图4所示的2GHz信号走线的参考平面是个不完整的参考平面，所以回流信号就不能直接从信号走线所垂直映射在参考平面上的路径回流到信号的驱动端，而只能绕过分割处或是沟槽返回到信号驱动端，因此形成了较大的信号回流面积。 

为了解决上面所述因不可避免跨越不完整参考平面所带来的较大信号回流面积，本实用新型提供一种PCB板，如图5所示，当PCB板的信号走线跨越参考平面的分割处或平面的沟槽处时，在所述信号走线跨越的平面分割处或平面的沟槽处设置有提供回流路径的电容，以提供最短的回流路径。 

电容的选择可以根据信号走线的信号频率来确定选择。下面描述具体电容的选择方法和计算过程： 

电容的阻抗计算公式如下： 

$Z\left(f\right)=i\frac{1}{2\mathrm{\πfC}}$

其中，Z为电容的阻抗值，f为通过电容的信号频率，i为虚数，c为电容的容值。但在高频的情况下，实际的电容是有寄生电感与寄生电阻的，因此在高频的情况下，电容的阻抗计算公式如下： 

$Z\left(f\right)=R+i(2\mathrm{\πfL}-\frac{1}{2\mathrm{\πfC}})$

电容的谐振频率计算公式如下： 

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}$

其中，Z为电容的阻抗值、f为频率、i为虚数、C为电容的容值、L为电容的寄生电感、R为电容的寄生电阻。从电容的阻抗计算公式可知，当信号为直流时，即f＝0，电容对于直流(DC)信号来说阻抗相当于无穷大，此电容的作用等同于开路，不会对这两个DC平面造成干扰或是影响。所以可以用电容来桥接DC电源平面或是两个不同电压的DC电源平面，甚至桥接DC电源与地平面间也可以。而当信号的频率变大时，在达到电容的谐振频率前，电容是呈容性的，因此信号流过电容的阻抗随着频率的变高而变小；当信号的频率变大到等于电容的谐振频率时，这时电容就为纯阻性，这时电容的阻抗最低。当信号频率超过谐振频率后，此时电容因为寄生电感的原因而呈感性了，电容的阻抗随着频率的增加而变大。综上所述，本实用新型电容的选择方法具体可以是：所选择电容的谐振频率与需要提供回流路径的信号频率相等，或是两者很接近，即两者的差值落在一个预定的范围内(该预定范围大小可以根据情况的不同而设置不同值)。 

图6为通过ADS仿真软件对0402封装，1nF容值的电容，从0GHz到10GHz的频率扫描所得的阻抗S参数图。可知此电容的谐振频率为2.25GHz左右，与前面所假设的驱动信号频率2GHz相接近，因此可以选此电容作为2GHz的信号提供回流信号路径。从上面的阻抗S参数图还可看出，对于高频信号(25MHZ以上)来说，电容的阻抗是很低的，所以高频信号的回流信号则可以通过电容以阻抗最小的路径来回流到信号驱动端，这样就大大减小了高频信号的回流面积。 

实施例二 

如图7所示，作为本实用新型的另一实施例，当PCB的信号走线跨越两个参考平面(参考平面1、参考平面2)时，或是信号走线以电源平面作为参考平面，并且跨越两个电源平面分割时；或是如图9所示的当信号走线跨越多个参考平面(此处指多于两个的情况，如图9中的平面1、2、3、4、5、6)时；或是信号走线以电源平面作为参考平面，并且跨越多个电源平面分割时；上述几种情况都破坏了信号线的回流路径，只有很小部分的回流信号电流通过耦合的方式直接从走线的下方的最短路径流过，形成比较小的回流面积，而大部分的电流则会通过各种方式绕过平面分界处形成比较大的回路面积。 

为了解决上面所述因不可避免跨越两个以上(包括两个)参考平面所带来的较大信号回流面积的问题，在本实用新型中的PCB设计时，为了平衡所有跨分界走线的回流路径，提供所有走线尽量短的回流路径，并又不会导致使用太多的电容，如图8或图10所示，本实用新型提供一种PCB板，当PCB板的信号走线跨越两个以上参考平面时，在所述信号走线跨越的形成平面分界处的地方设置有提供回流路径的电容。 

作为一个较好的实施例，可以选择在信号走线比较密集或者是信号线比较重要的地方(前提是该地方还必须是平面分界处)设置提供回流路径的电容，以达到减小信号回流面积的目的。 

具体电容的选择方法与实施例一相同，这里不再赘述，所不相同的是，本实施例中放置的电容根据具体情况可以有很多个，如图8中三个电容均放置在信号走线比较密集并且是平面分界处的地方，而图10中由于有多个平面，所以相应需放置电容的地方也就比较多，因此一共放置了9个电容。 

实施例三 

如图9所示，相对于实施例一和实施例二，作为本实用新型的另一实施例，当信号走线跨越一个孤立的参考平面(平面2)时，破坏了信号线的回流路径，只有很小部分的回流信号电流通过耦合的方式直接从走线的下方的最短路径流 过，形成比较小的回流面积，而大部分的电流则会绕过平面分界处形成比较大的回路面积。 

为了解决上面所述因不可避免跨越一个孤立的参考平面所带来的较大信号回流面积，本实用新型提供一种PCB板，如图10所示，当PCB板的信号走线跨越一个孤立的参考平面时，在该参考平面四周的平面分界处设置有提供回流路径的电容。 

作为一个较好的实施例，所述提供回流路径的电容可以设置在信号走线比较密集或是信号线比较重要的地方(当然前提是该地方还必须是平面分界处)。这样就可以平衡所有跨分界走线的回流路径，提供所有走线尽量短的回流路径，在很大程度上减小了信号的回流面积。 

具体电容的选择方法与实施例一相同，这里不再赘述，与实施例一不同的是本实施例中为了满足不同情况的需要，在孤立的参考平面四周的不同位置可以分别放置多个提供回流路径的电容。 

通过以上几个实施例可以看出，本实用新型的一种PCB板，通过在有分割的参考平面上设置提供回流路径的电容，解决了目前高速、多层PCB板设计时信号回路面积较大从而导致的辐射大、电磁兼容性能低的问题，本实用新型的PCB板能够较容易的通过电磁兼容性相关标准认证。而且本实用新型的PCB板还解决了高速、多层PCB板要以完整地平面或电源平面作为参考平面，不能以不完整的地平面或电源平面作为参考平面的问题，减少了完整地平面的层数，从而减少PCB的层数，降低了电子产品的成本。 

以上所述的本实用新型实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种PCB板，该PCB板的信号走线跨越参考平面的分割处或平面的沟槽处，其特征在于，在所述信号走线跨越参考平面的分割处或平面的沟槽处设置有提供回流路径的电容。

2.根据权利要求1所述的PCB板，其特征在于，所述电容的选择根据信号走线的信号频率来确定。

3.根据权利要求2所述的PCB板，其特征在于，所述电容的谐振频率与回流路径的信号频率相同或两者的差值落在预定范围内。

4.一种PCB板，该PCB板的信号走线跨越两个以上参考平面，其特征在于，在所述信号走线跨越的形成平面分界处的地方设置有提供回流路径的电容。

5.根据权利要求4所述的PCB板，其特征在于，所述电容的谐振频率与回流路径的信号频率相同或两者的差值落在预定范围内。

6.根据权利要求4或5所述的PCB板，其特征在于，所述电容设置在所述信号走线密集的地方。

7.一种PCB板，该PCB板的信号走线跨越一个孤立的参考平面，其特征在于，在该参考平面四周的平面分界处设置有提供回流路径的电容。

8.根据权利要求7所述的PCB板，其特征在于，所述电容的谐振频率与回流路径的信号频率相同或两者的差值落在预定范围内。

9.根据权利要求7或8所述的PCB板，其特征在于，所述电容设置在所述信号走线密集的地方。

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