多層PCB板設計的電磁兼容設計考慮

電磁兼容（Electro - Magnetic Compatibility，簡(jiǎn)稱(chēng)EMC）是一門(mén)新興綜合性學(xué)科，它主要研究電磁干擾和抗干擾問(wèn)題。 電磁兼容性是指電子設備或系統在規定的電磁環(huán)境電平下，不因電磁干擾而降低性能指標，同時(shí)它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于限定的極限電平，不影響其它系統的正常運行，并達到設備與設備、系統與系統之間互不干擾、共同可靠工作的目的。 電磁干擾（ EM I）產(chǎn)生是由于電磁干擾源通過(guò)耦合路徑將能量傳遞給敏感系統造成的，它包括由導線(xiàn)和公共地線(xiàn)的傳導、通過(guò)空間輻射或近場(chǎng)耦合3種基本形式。 實(shí)踐證明，即使電路原理圖設計正確，印制電路板設計不當，也會(huì )對電子設備的可靠性產(chǎn)生不利影響，所以保證印制電路板電磁兼容性是整個(gè)系統設計的關(guān)鍵，本文主要討論電磁兼容技術(shù)及其在多層印制線(xiàn)路板（ Printed Circuit Board，簡(jiǎn)稱(chēng)PCB）設計中的應用。

　　PCB是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件，它提供電路元件和器件之間的電氣連接，是各種電子設備最基本的組成部分。 如今，大規模和超大規模集成電路已在電子設備中得到廣泛應用，而且元器件在印刷電路板上的安裝密度越來(lái)越高，信號的傳輸速度更是越來(lái)越快， 由此而引發(fā)的EMC問(wèn)題也變得越來(lái)越突出。 PCB 有單面板（單層板） 、雙面板（雙層板）和多層板之分。 單面板和雙面板一般用于低、中密度布線(xiàn)的電路和集成度較低的電路， 多層板使用高密度布線(xiàn)和集成度高的電路。 從電磁兼容的角度看單面板和雙面板不適宜高速電路，單面、雙面布線(xiàn)已滿(mǎn)足不了高性能電路的要求，而多層布線(xiàn)電路的發(fā)展為解決以上問(wèn)題提供了一種可能，并且其應用變得越來(lái)越廣泛。

　　1　多層布線(xiàn)的特點(diǎn)

　　PCB是由具有多層結構的有機和無(wú)機介質(zhì)材料組成，層之間的連接通過(guò)過(guò)孔來(lái)實(shí)現，過(guò)孔鍍上或填充金屬材料就可以實(shí)現層之間的電信號導通。 多層布線(xiàn)之所以得到廣泛的應用，究其原因，有以下特點(diǎn)：

　?。?）多層板內部設有專(zhuān)用電源層、地線(xiàn)層。 電源層可以作為噪聲回路，降低干擾;同時(shí)電源層還為系統所有信號提供回路，消除公共阻抗耦合干擾。 減小了供電線(xiàn)路的阻抗，從而減小了公共阻抗干擾。

　?。?）多層板采用了專(zhuān)門(mén)地線(xiàn)層，對所有信號線(xiàn)而言都有專(zhuān)門(mén)接地線(xiàn)。 信號線(xiàn)的特性：阻抗穩定、易匹配，減少了反射引起的波形畸變;同時(shí)，采用專(zhuān)門(mén)的地線(xiàn)層加大了信號線(xiàn)和地線(xiàn)之間的分布電容，減小了串擾。

　　2　印制電路板的疊層設計

　　2. 1　PCB的布線(xiàn)規則

　　多層電路板的電磁兼容分析可以基于克?；舴蚨珊头ɡ陔姶鸥袘?。 根據克?；舴蚨?， 任何時(shí)域信號由源到負載的傳輸都必須有一個(gè)最低阻抗的路徑。

　　具有多層的PCB常常用于高速、高性能的系統，其中的多層用于直流（DC）電源或地參考平面。 這些平面通常是沒(méi)有任何分割的實(shí)體平面，因為具有足夠的層用作電源或地層，因此沒(méi)有必要將不同的DC電壓置于同一層上。 該層將會(huì )用作與它們相鄰的傳輸線(xiàn)上信號的電流返回通路。 構造低阻抗的電流返回通路是這些平面層最重要的EMC目標。

　　信號層分布在實(shí)體參考平面層之間，它們可以是對稱(chēng)的帶狀線(xiàn)和非對稱(chēng)的帶狀線(xiàn)。 以一個(gè)12層板為例說(shuō)明多層板的結構和布局 。 其分層結構為T(mén) - P - S - P - S - P - S - P - S - S - P - B，“T”為頂層，“P”為參考平面層，“S”為信號層，“B”為底層。 從頂層至底層依次為第1層、第2層、？？第12層。 頂層和底層用作元件的焊盤(pán)，信號在頂層和底層不應傳輸太長(cháng)的距離，以便減少來(lái)自走線(xiàn)的直接輻射。 不相容的信號線(xiàn)應相互隔離，這樣做的目的是避免相互之間產(chǎn)生耦合干擾。 高頻與低頻、大電流與小電流、數字與模擬信號線(xiàn)是不相容的， 元件布置中就應該把不相容元件放在印制板上不同的位置， 在信號線(xiàn)的布置上仍要注意把它們隔離。 設計時(shí)要注意以下3個(gè)問(wèn)題：

　?。?）確定哪個(gè)參考平面層將包含用于不同的DC電壓的多個(gè)電源區。 假設第11層有多個(gè)DC電壓，就意味著(zhù)設計者必須將高速信號盡可能遠離第10層和底層，因為返回電流不能流過(guò)第10層以上的參考平面，并且需要使用縫合電容，第3、5、7和9層分別為高速信號的信號層。 重要信號的走線(xiàn)盡可能以一個(gè)方向布局，以便優(yōu)化層上可能的走線(xiàn)通道數。 分布在不同層上的信號走線(xiàn)應互相垂直，這樣可以減少線(xiàn)間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的耦合干擾，第3和第7層可以設定為“東西”走線(xiàn)，而第5和第9層設置為“南北”走線(xiàn)。 走線(xiàn)布在哪一層要根據其到達目的地的方向。

　?。?）高速信號走線(xiàn)時(shí)層的變化，及哪些不同的層用于一個(gè)獨立的走線(xiàn)，確保返回電流從一個(gè)參考平面流到需要的新參考平面。 這樣是為了減小信號環(huán)路面積，減小環(huán)路的差模電流輻射和共模電流輻射。 環(huán)路輻射與電流強度、環(huán)路面積成正比。 實(shí)際上，最好的設計并不要求返回電流改變參考平面，而是簡(jiǎn)單地從參考平面的一側改變到另一側。 如信號層的組合可以用作信號層對：第3層和第5層，第5層和第7層，第7層和第9層，這就允許一個(gè)東西方向和南北方向形成一個(gè)布線(xiàn)組合。 但是第3層和第9層的組合就不應使用，因為這要求返回電流從第4層流到第8層。 盡管一個(gè)去耦電容可以放置在過(guò)孔附近，但在高頻時(shí)由于存在引線(xiàn)和過(guò)孔電感而使電容失去作用。 并且這種走線(xiàn)會(huì )使信號環(huán)路面積增大，不利減小電流輻射。

　?。?）為參考平面層選定DC電壓。 該例中，由于處理器內部信號處理的高速性，致使在電源/地參考引腳上存在大量的噪聲。 因此，在為處理器提供相同DC電壓上使用去耦電容器非常重要，并且盡可能有效地使用去耦電容器。 降低這些元件電感的最好方法是連接走線(xiàn)盡可能短和寬，并且盡可能使過(guò)孔短和粗。

　　如果第2層分配為“地”，且第4層分配為處理器的電源，則過(guò)孔距離放置處理器和去耦電容器的頂層應該盡可能短。 延伸到板的底層的過(guò)空剩余部分不包含任何重要的電流，而且距離短不會(huì )具有天線(xiàn)作用。 表1列出了疊層設計布局的參考配置。

　　疊層設計布局的參考配置

　2. 2　20 - H規則及3 -W 法則

　　在多層PCB板電磁兼容性設計中，確定多層板電源層與邊沿的距離和解決印制條間的距離有兩個(gè)基本原則： 20 - H規則及3 - W法則 。

　　20 - H原則：由于磁通之間的連接， RF電流通常存在于電源平面的邊緣，這種層間的耦合稱(chēng)為邊緣效應，當使用高速的數字邏輯和時(shí)鐘信號時(shí)，電源平面間會(huì )互相耦合RF電流，如圖1所示。 為減小這種效應，電源平面的物理尺寸都應該比最靠近地平面的物理尺寸至少小20H （H為電源平面和地平面之間的距離） ，電源的邊緣效應通常發(fā)生在10H左右， 20H時(shí)約10%的磁通被阻斷，如果想達到98%磁通被阻斷的話(huà)，則需要100%的邊界值，如圖1所示。 20 - H規則決定了電源平面和最近的接地平面間的物理距離，這個(gè)距離包括敷銅厚度、預填充和絕緣分離層。 使用20 - H可以提高PCB自身的諧振頻率。

　　PCB的RF邊緣效應

　　3 - W法則：當兩條印制線(xiàn)間距較小時(shí)，兩條線(xiàn)之間會(huì )發(fā)生電磁串擾，這會(huì )使有關(guān)電路功能失常，為避免這種干擾，應保持任何線(xiàn)條間距不小于3倍印制線(xiàn)條寬度，即不小于3W （W為印制線(xiàn)條寬度）。 印制線(xiàn)條寬度取決于線(xiàn)條阻抗的要求，太寬會(huì )影響布線(xiàn)密度，太窄會(huì )影響傳輸到終端的信號完整性和強度。 時(shí)鐘電路、差分對、I/O端口的布線(xiàn)都是3 - W原則的基本應用對象。 3 - W原則只是表示了串擾能量衰減70%的電磁通量線(xiàn)邊界，若要求更高，如保證串擾能量衰減98%的電磁通量邊界線(xiàn)就必須采用10W間隔。

　　2. 3　地線(xiàn)的布置

　　首先，要建立分布參數的概念，高于一定頻率時(shí)， 任何金屬導線(xiàn)都要看成是由電阻、電感構成的器件 。 所以接地引線(xiàn)具有一定阻抗并且構成電氣回路，不管是單點(diǎn)接地還是多點(diǎn)接地， 都必須構成低阻抗回路進(jìn)入真正的地或機架。 25mm 長(cháng)的典型印制線(xiàn)大約會(huì )表現15～ 20nH電感，加上分布電容的存在，就會(huì )在接地板和設備機架之間構成諧振電路。 其次， 接地電流流經(jīng)接地線(xiàn)時(shí)，會(huì )產(chǎn)生傳輸線(xiàn)效應和天線(xiàn)效應。 當線(xiàn)條長(cháng)度為1 /4波長(cháng)時(shí)，表現出很高的阻抗，接地線(xiàn)實(shí)際上是開(kāi)路的， 接地線(xiàn)反而成為向外輻射的天線(xiàn)。 最后，接地板上充滿(mǎn)高頻電流和騷擾形成的渦流，因此，在接地點(diǎn)之間構成許多回路，這些回路的直徑（或接地點(diǎn)間距） 應小于最高頻率波長(cháng)的1 /20. 選擇恰當的器件是設計成功的重要因素，特別是在選擇邏輯器件時(shí)，盡量選擇上升時(shí)間比5ns長(cháng)的， 決不要選比電路要求時(shí)序快的邏輯器件。

　　2. 4　電源線(xiàn)的布置

　　對于多層板， 采用電源層- 地層結構供電，這種結構的特性阻抗比軌線(xiàn)對小得多，可以做到小于1Ω。 這種結構具有一定的電容，不必在每個(gè)集成芯片旁加高頻去耦電容。 即使層電容容量不夠，需要外加去耦電容時(shí)，也不要加在集成芯片旁邊，可加在印制板的任何地方。 集成芯片的電源腳和地腳可以通過(guò)金屬化通孔直接與電源層和地層連接， 所以供電環(huán)路總是最小的。 由于“電流總是走阻抗最小途徑”原則， 地層上的高頻回流總是緊貼在軌線(xiàn)下面走， 除非有地層隔縫阻擋， 因此信號環(huán)路也總是最小的。 可見(jiàn)電源層- 地層結構與軌線(xiàn)對供電相比較， 具有布置簡(jiǎn)單靈活、電磁兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。

　　3　結束語(yǔ)

　　總之，在多層PCB設計中，元器件要分組放置， 以防止產(chǎn)生組間干擾; 高速電路位置要安排恰當， 以免通過(guò)電場(chǎng)耦合或磁場(chǎng)耦合干擾其他電路; 根據情況分別設置地線(xiàn)， 以防止共地線(xiàn)阻抗耦合干擾; 供電環(huán)路面積應該減小到最低程度， 且不同電源的供電環(huán)路不要重疊， 以避免產(chǎn)生磁場(chǎng)耦合;不相容的信號線(xiàn)要相互隔離， 以免產(chǎn)生耦合干擾; 還應減小信號環(huán)路面積， 以降低環(huán)路輻射和共模輻射.