基于多層PCB板設計的電磁兼容（EMC）考量與應用

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(EMI)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)：

(1)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。

(2)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：

(1)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。

(2)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。

(3)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