多層布線(xiàn)的電磁兼容設計

隨著(zhù)現代電子設備工藝結構的發(fā)展，印制電路板已取代了以往的許多復雜配線(xiàn)，為設備的制造和維修提供了極大的方便。另一方面，集成電路的迅猛發(fā)展更加促進(jìn)了印制電路技術(shù)的飛速發(fā)展。目前，電子設備中常用的印制電路板有以下幾種：一種為單面布線(xiàn)印制制板，它是一個(gè)表面有銅箔且厚度為0.2―5.0mm的緣緣基板上形成印制電路，適用于一般要求的電子設備，如收音機等。另一種為雙面布線(xiàn)印制板，是在兩個(gè)表面有銅箔且厚度為0.2～5.0mm的絕緣基板上形成印制電路，提高了布線(xiàn)密度，減小了設備體積，適用于電子儀器、儀表等。還有一種就是極富生命力的多層布線(xiàn)印制電路板，它是通過(guò)幾層較薄的單面或雙面板粘合，在絕緣基板上形成三層以上的印刷電路而制成。它與集成電路配合使用，可以減小電子產(chǎn)品的體積與重量；通過(guò)增設屏蔽層，可以提高電路的電氣性能。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)越突由。單面、雙面布線(xiàn)已滿(mǎn)足不了高性能電路要求，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，并且其應用正變得越來(lái)越廣泛。

電源有如人體的心臟，是所有電設備的動(dòng)力。電源電路的選擇和設計直接關(guān)系到設備的EMI/EMC規范，甚至關(guān)系到設備的基本性能。本文通過(guò)分析多層布線(xiàn)的特點(diǎn)及其發(fā)展，探討了電源電路中EMI產(chǎn)生的原因，給出了多層布線(xiàn)的一些布線(xiàn)規則及抑制EMI的措施，最后介紹PROTEL99SE軟件及其應用。

1 多層布線(xiàn)的特點(diǎn)及發(fā)展

圖1給出了多層電路板結構層面剖視圖。多層板是通過(guò)電鍍通孔把重疊在一起的n層印制電路板連接成一個(gè)整體。

1.1 多層布線(xiàn)特點(diǎn)

多層布線(xiàn)之所以逐漸得到廣泛的應用，究其原因，不乏有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）多層板內部設有專(zhuān)用電源層、地線(xiàn)層，減小了供電線(xiàn)器的阻抗，從而減小了公共阻抗干擾。

印制電路板上單根銅箔導線(xiàn)的特性阻抗為：

Z=R+jwL （1）

R為印制導線(xiàn)的直流電阻，可以通過(guò)下式求得：

R=pl/bd （2）

p――銅的體積電阻率（Ω·cm）

l――印制導線(xiàn)長(cháng)度（cm）

b――印制導線(xiàn)寬度（cm）

d――印制導線(xiàn)厚度（cm）

在常溫條件下，p=1.75(Ω·cm)，常用導線(xiàn)的厚度為18μm、35μm、70μm。

L為印制導線(xiàn)的自感，可以通過(guò)下式求得：

L=2l[ln（2l/b）+1/2] (mH) （3）

式中，l、b的定義同上。

由公式（2）、（3）可以看出，印制導線(xiàn)的長(cháng)度、厚度一定時(shí)，增加導線(xiàn)的寬度可以減小導線(xiàn)的特性阻抗，從而相應地減小公共阻抗的干擾。

（2）多層板采用專(zhuān)門(mén)地線(xiàn)層，對信號線(xiàn)而言都有均勻接地面，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。

在電路設計中發(fā)現，當印制電路板上裝有多個(gè)集成電路，并且其中有些元件耗電很多時(shí)，地線(xiàn)上會(huì )出現較大電位差。原因集成電路的開(kāi)關(guān)電流i與電源線(xiàn)和地線(xiàn)電阻R和電感L造成電壓降所至?？赏ㄟ^(guò)下式來(lái)描述：

E=ER+EL=Ri+L(di/dt) （4）

由式（4）可以看出，通過(guò)減小R和L將使電壓降能夠顯著(zhù)減小。而多層板設計中，信號線(xiàn)與地層之間有均勻接地面，減小了R、L，保證了地線(xiàn)電位的穩定。

（3）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。

串擾是指兩個(gè)或更多導體靠得比較近時(shí)，它們之間會(huì )有容性耦合，一個(gè)導體上的電壓大幅度變化時(shí)會(huì )向其它導體耦合電源。通常耦合電容反比于導體間的距離而正比于導體的面積。而在通過(guò)減小相鄰導體間的面積并增大相鄰距離，有利于減小串擾。采用多層布線(xiàn)，由于增加了獨立地線(xiàn)層，大功率接地層上的噪聲就不會(huì )注入到其它層面上去，從而減小了高頻電流對敏感電路的影響。

（4）配線(xiàn)密度高。

與相應尺寸的雙面印制板相比，多層印制電路板器件安裝面安裝密度大，配線(xiàn)密度高。

1.2 多層布線(xiàn)的發(fā)展

上面分析了多層布線(xiàn)不同于單面、雙面布線(xiàn)的特點(diǎn)。正是由于多層布線(xiàn)具有這些特點(diǎn)，從而為電路設計人員提供了一種理想的解決噪聲問(wèn)題的途徑。在常規則的電路設計中，去耦電容安裝得當可以使串聯(lián)阻抗減小80%左右。但是，這種大幅度抑制電源電壓波動(dòng)的措施，實(shí)質(zhì)上是一種補救辦法。更好的方法是不斷完善供電線(xiàn)路的設計，而多層布線(xiàn)的發(fā)展為其提供了一種可能。當然，多層電路板還存在加工工藝復雜、成本高的特點(diǎn)，這是阻礙其發(fā)展的因素。但隨著(zhù)印刷電路板技術(shù)的發(fā)展及大規模生產(chǎn)，多層電路板的使用將變得越來(lái)越廣泛。

2 電源電路電磁干擾分析及相應抑制措施

電磁兼容（EMC）是指對電磁環(huán)境進(jìn)行設計的學(xué)科領(lǐng)域，通過(guò)研究和分析預測電磁干擾，提供抑制干擾的有效技術(shù)，進(jìn)行合理設計，從而使電子系統和設備在共同電磁環(huán)境中不受干擾的影響而相容地正常工作。電磁兼容的研究對象就是電磁干擾。隨著(zhù)電子系統和設備數量的逐漸增多和性能的不斷提高，電磁干擾將越來(lái)載嚴重。而電源電路作為任何電子設備所不可缺少的部分，其性能的好壞直接關(guān)系到了設備性能的優(yōu)劣。對電源電路系統來(lái)講，電磁干擾可分為輻射型和傳導型。輻射型干擾表現為電場(chǎng)或磁場(chǎng)的形式，而傳導型干擾總是以電壓或電流的形式來(lái)表現。電源電路中功率器件的切換或電源電壓的波動(dòng)過(guò)程，可以在連線(xiàn)上產(chǎn)生很大的dv/dt和di/dt的信號。它可以耦合到其它連線(xiàn)上造成電磁干擾。因而元件的選擇對于控制電磁干擾（EMI）至關(guān)重要，而且電路板的布局和連線(xiàn)也具有同等重要的影響。

2.1 電源電路中電磁干擾的產(chǎn)生

2.1.1 元件選擇不合理

在電源電路中，高頻開(kāi)關(guān)器件、高頻變壓器、電感等的使用，為輻射型電磁干擾的產(chǎn)生帶來(lái)了可能。

2.1.2 元器件布局不合理

元器件布局的合理性直接關(guān)系到電源電路EMI水平的好壞。電源電路中功率器件的切換可以在連續上產(chǎn)生很大的干擾信號，它可以耦合到其它連線(xiàn)上造成干擾問(wèn)題，布局時(shí)要進(jìn)行特殊注意。

2.1.3 布線(xiàn)不合理

電源電路中的走線(xiàn)，應該保護接地層不向電路的敏感部分耦合噪聲，高頻電流地于敏感電路會(huì )產(chǎn)生不可忽視的影響。研究表明，高頻開(kāi)關(guān)電源電路中的EMI指標往往可以在不增加任何元器件的改變線(xiàn)路的條件睛通過(guò)修改布線(xiàn)設計而得到改善。

2.2 多層布線(xiàn)對抑制電磁干擾的作用

這里從布線(xiàn)的角度，針對多層布線(xiàn)在抑制電磁干擾方面的作用加以分析。

2.2.1 布線(xiàn)中的一些規則

高速信號線(xiàn)要短，信號線(xiàn)和信號回路線(xiàn)所形成的環(huán)路面積要最小。為避免信號之間的相互串擾，兩條信號線(xiàn)切忌平行，而應采取垂直交叉方式；或者拉開(kāi)兩線(xiàn)之間的距離；也可在兩條平行的信號線(xiàn)之間增設一條地線(xiàn)。連線(xiàn)和電源線(xiàn)的走向盡量與數據傳輸方向垂直。地線(xiàn)的設計不應該斷開(kāi)，而應該設計成環(huán)路，這樣可以避免地線(xiàn)上出現較大的電位差而引起地電位波動(dòng)，導致信號波形產(chǎn)生振蕩、電路誤動(dòng)作。

2.2.2 多層布線(xiàn)在抑制電磁干擾中的作用

上面給出了布線(xiàn)的一些規則。采用單面板、雙面板設計電源電路時(shí)有些規則并不能得到很好地實(shí)現。多層布線(xiàn)的使用彌補了這些不足。高密度的電源電路板上，兩個(gè)或更多導體靠得比較近時(shí)，它們之間存在容性耦合，一個(gè)導體上的大幅度電壓變化會(huì )向其它導體耦合電流。一般可以通過(guò)增加它們之間的距離或在導體之間增加一條接地線(xiàn)來(lái)消除耦合，但應該保證接地層不向電路的敏感部分耦合噪聲，否則會(huì )對敏感電路產(chǎn)生不可忽視的影響。采用多層布線(xiàn)方式，電源、地線(xiàn)和信號分別占有獨立的層面（如圖1所示），這樣由整個(gè)層面構成的電源線(xiàn)和接地線(xiàn)阻抗相當低。電路板的分布電容由各層之間的距離和介電系數來(lái)決定，約為 10～1000pF/cm2。圖1中的E層上下表面經(jīng)過(guò)絕緣處理，既能預防線(xiàn)路板向外輻射噪聲，又能防止線(xiàn)路板接受外來(lái)噪聲；同時(shí)，電源線(xiàn)被密封在板內，幾乎不接受任何外來(lái)噪聲，而且內部幾個(gè)供電面之間有很大的靜電電容，形成阻抗極低的供電線(xiàn)路，極大地提高了抗噪性能。

3 PROTEL99SE簡(jiǎn)介及其在電源電路電磁兼容設計中的應用

3.1 PROTEL99SE簡(jiǎn)介

PROTEL99SE 作為一個(gè)優(yōu)秀的板級設計軟件，是個(gè)功能強大的設計系統。它由以下幾部分構成：設計瀏覽器、原理圖捕獲、電路仿真、PLD設計、PCB布局、PCB自動(dòng)布線(xiàn)、信號完整性分析。設計瀏覽器為設計人員方便地進(jìn)入設計并使用創(chuàng )建設計的各種工具提供了一個(gè)便捷界面。原理圖捕獲部分類(lèi)似于傳統的畫(huà)圖過(guò)程，通過(guò)計算機輔助設計自動(dòng)繪圖，便捷地修改圖層。然而，PROTEL99SE中的原理圖捕獲功能塊是許多技術(shù)設計的入口點(diǎn)，從電路設計到PLC（可編程邏輯器件）編程，再到電路仿真和PCB設計（布局、布線(xiàn)），都以原理圖捕獲為基礎。電路仿真部分與原理圖編程器緊密集成，可以直接從原理圖（原理圖中的元器件采用仿真庫模塊）對模擬和數字信號設計進(jìn)行混合仿真。PLD設計提供了基于原理圖及CUPL TM硬件描述語(yǔ)言的可編程邏輯器件的設計手段。PCB布局和PCB自動(dòng)布線(xiàn)完成印制電路板的布局與布線(xiàn)功能，執行設計規則，產(chǎn)生印制板加工文件及輸出文件。信號完整性分析以印制電路板設計為基礎，設定相應規則來(lái)測試網(wǎng)絡(luò )阻抗和上沖、下沖、上升、下降等時(shí)間。同時(shí)，通過(guò)執行反射與串擾分析，能夠確切地分析布線(xiàn)的性能并產(chǎn)生準確的結果波形。綜合各部分所完成的功能可以看出。PROTEL99SE是一個(gè)功能強大的電路設計系統。

3.2 PROTEL99SE在電源電路電磁兼容設計中的應用

線(xiàn)路板設計階段如果缺乏有效的手段分析電磁干擾，則產(chǎn)生可能通不過(guò)EMC標準而不能進(jìn)入生產(chǎn)。傳統的嘗試性方法仍是國內設計人員普遍采用的方法，但各種各樣的借助于計算機輔助設計的方法正應運而生。PROTEL99SE設計軟件內部的自動(dòng)布線(xiàn)軟件包與SPICE仿真器件相結合實(shí)現了具有EMC設計的PCB計算機輔助設計。

從上面布線(xiàn)規則可知，高速信號線(xiàn)要短，這可以通過(guò)配置長(cháng)度約束規則來(lái)實(shí)現。對于投承載高速信號的走線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以采和菊花鏈拓撲，規定允許最長(cháng)走線(xiàn)。并并導線(xiàn)容易引起相互串擾，可以通過(guò)配置并行走線(xiàn)的最大長(cháng)度來(lái)把串擾限制在允許的范圍之內。由第2節分析可知，導線(xiàn)特性阻抗會(huì )引起公共阻抗干擾。采用 PROTEL99SE布線(xiàn)時(shí)，可以在信號完整性功能項設定中配置阻抗約束條件來(lái)保證網(wǎng)絡(luò )最大允許導線(xiàn)阻抗。同時(shí)，還可以通過(guò)設定信號完整性功能項中的上沖、下沖、延遲時(shí)間約束來(lái)保證信號的完整。 PROTEL99SE的強大設計功能為電源電路電磁兼容的設計提供了一種手段。當然，設計過(guò)程中需要根據電磁干擾指標去分析計算相應的布線(xiàn)參數，這也是該軟件在電磁兼容設計中的不足之處。

多層電路板的特點(diǎn)使其發(fā)展具有豐富的生命力。在對性能要求高的電路設計中，多層電路板使用將成為一種趨勢。而且在電源電路的設計中由于采用多層電路板，將使電磁兼容的設計得到較大的改善。