天线角度看PCB覆铜的利与弊

ohahaha · 发表于2017-11-23 10:45

天线角度看PCB覆铜的利与弊 [复制链接]

覆铜作为PCB设计的一个重要环节，不管是国产的PCB设计软件，还是国外的Protel，altium designer都提供了智能覆铜功能，那么怎样才能敷好铜，以下是个人一些想法与大家一起分享，希望能给同行带来益处。

所谓覆铜，就是将PCB上闲置的空间作为基准面，然后用固体铜填充，这些铜区又称为灌铜。覆铜的意义在于，减小地线阻抗，提高抗干扰能力；降低压降，提高电源效率；与地线相连，还可以减小环路面积。也出于让PCB 焊接时尽可能不变形的目的，大部分PCB 生产厂家也会要求PCB 设计者在PCB 的空旷区域填充铜皮或者网格状的地线，覆铜如果处理的不当，那将得不赏失，究竟覆铜是“利大于弊”还是“弊大于利”？

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1218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，如图1所示。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。

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：

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”
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”。
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”。
三端稳压器的散热金属块，一定要良好接地。
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。