多層板PCB設計時(shí)的EMI解決

　　6層板

　　如果4層板上的元件密度比較大，則最好采用6層板。但是，6層板設計中某些疊層方案對電磁場(chǎng)的屏蔽作用不夠好，對電源匯流排瞬態(tài)信號的降低作用甚微。下面討論兩個(gè)實(shí)例。

　　第一例將電源和地分別放在第2和第5層，由於電源覆銅阻抗高，對控制共模EMI輻射非常不利。不過(guò)，從信號的阻抗控制觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，這一方法卻是非常正確的。

　　第二例將電源和地分別放在第3和第4層，這一設計解決了電源覆銅阻抗問(wèn)題，由於第1層和第6層的電磁屏蔽性能差，差模EMI增加了。如果兩個(gè)外 層上的信號線(xiàn)數量最少，走線(xiàn)長(cháng)度很短(短於信號最高諧波波長(cháng)的1/20)，則這種設計可以解決差模EMI問(wèn)題。將外層上的無(wú)元件和無(wú)走線(xiàn)區域鋪銅填充并將 覆銅區接地(每1/20波長(cháng)為間隔)，則對差模EMI的抑制特別好。如前所述，要將鋪銅區與內部接地層多點(diǎn)相聯(lián)。

　　通用高性能6層板設計 一般將第1和第6層布為地層，第3和第4層走電源和地。由於在電源層和接地層之間是兩層居中的雙微帶信號線(xiàn)層，因而EMI抑制能力是優(yōu)異的。該設計的缺點(diǎn) 在於走線(xiàn)層只有兩層。前面介紹過(guò)，如果外層走線(xiàn)短且在無(wú)走線(xiàn)區域鋪銅，則用傳統的6層板也可以實(shí)現相同的堆疊。

　　另一種6層板布局為信號、地、信號、電源、地、信號，這可實(shí)現高級信號完整性設計所需要的環(huán)境。信號層與接地層相鄰，電源層和接地層配對。顯然，不足之處是層的堆疊不平衡。

　　這通常會(huì )給加工制造帶來(lái)麻煩。解決問(wèn)題的辦法是將第3層所有的空白區域填銅，填銅後如果第3層的覆銅密度接近於電源層或接地層，這塊板可以不嚴格地算作 是結構平衡的電路板。填銅區必須接電源或接地。連接過(guò)孔之間的距離仍然是1/20波長(cháng)，不見(jiàn)得處處都要連接，但理想情況下應該連接。

　　10層板

　　由於多層板之間的絕緣隔離層非常薄，所以10或12層的電路板層與層之間的阻抗非常低，只要分層和堆疊不出問(wèn)題，完全可望得到優(yōu)異的信號完整性。要按62mil厚度加工制造12層板，困難比較多，能夠加工12層板的制造商也不多。

　　由於信號層和回路層之間總是隔有絕緣層，在10層板設計中分配中間6層來(lái)走信號線(xiàn)的方案并非最佳。另外，讓信號層與回路層相鄰很重要，即板布局為信號、地、信號、信號、電源、地、信號、信號、地、信號。

　　這一設計為信號電流及其回路電流提供了良好的通路。恰當的布線(xiàn)策略是，第1層沿X方向走線(xiàn)，第3層沿Y方向走線(xiàn)，第4層沿X方向走線(xiàn)，以此類(lèi)推。直觀(guān)地 看走線(xiàn)，第1層1和第3層是一對分層組合，第4層和第7層是一對分層組合，第8層和第10層是最後一對分層組合。當需要改變走線(xiàn)方向時(shí)，第1層上的信號線(xiàn) 應藉由“過(guò)孔"到第3層以後再改變方向。實(shí)際上，也許并不總能這樣做，但作為設計概念還是要盡量遵守。

　　同樣，當信號的走線(xiàn)方向變化時(shí)， 應該藉由過(guò)孔從第8層和第10層或從第4層到第7層。這樣布線(xiàn)可確保信號的前向通路和回路之間的耦合最緊。例如，如果信號在第1層上走線(xiàn)，回路在第2層且 只在第2層上走線(xiàn)，那麼第1層上的信號即使是藉由“過(guò)孔"轉到了第3層上，其回路仍在第2層，從而保持低電感、大電容的特性以及良好的電磁屏蔽性能。

　　如果實(shí)際走線(xiàn)不是這樣，怎麼辦?比如第1層上的信號線(xiàn)經(jīng)由過(guò)孔到第10層，這時(shí)回路信號只好從第9層尋找接地平面，回路電流要找到最近的接地過(guò) 孔 (如電阻或電容等元件的接地引腳)。如果碰巧附近存在這樣的過(guò)孔，則真的走運。假如沒(méi)有這樣近的過(guò)孔可用，電感就會(huì )變大，電容要減小，EMI一定會(huì )增加。

　　當信號線(xiàn)必須經(jīng)由過(guò)孔離開(kāi)現在的一對布線(xiàn)層到其他布線(xiàn)層時(shí)，應就近在過(guò)孔旁放置接地過(guò)孔，這樣可以使回路信號順利返回恰當的接地層。對於第4層和第7層 分層組合，信號回路將從電源層或接地層(即第5層或第6層)返回，因為電源層和接地層之間的電容耦合良好，信號容易傳輸。

　　多電源層的設計

　　如果同一電壓源的兩個(gè)電源層需要輸出大電流，則電路板應布成兩組電源層和接地層。在這種情況下，每對電源層和接地層之間都放置了絕緣層。這樣就得到我們 期望的等分電流的兩對阻抗相等的電源匯流排。如果電源層的堆疊造成阻抗不相等，則分流就不均勻，瞬態(tài)電壓將大得多，并且EMI會(huì )急劇增加。

　　如果電路板上存在多個(gè)數值不同的電源電壓，則相應地需要多個(gè)電源層，要牢記為不同的電源創(chuàng )建各自配對的電源層和接地層。在上述兩種情況下，確定配對電源層和接地層在電路板的位置時(shí)，切記制造商對平衡結構的要求。

　　總結

　　鑒於大多數工程師設計的電路板是厚度62mil、不帶盲孔或埋孔的傳統印制電路板，本文關(guān)於電路板分層和堆疊的討論都局限於此。厚度差別太大的電路板，本文推薦的分層方案可能不理想。此外，帶盲孔或埋孔的電路板的加工制程不同，本文的分層方法也不適用。

　　電路板設計中厚度、過(guò)孔制程和電路板的層數不是解決問(wèn)題的關(guān)鍵，優(yōu)良的分層堆疊是保證電源匯流排的旁路和去耦、使電源層或接地層上的瞬態(tài)電壓最小并將信 號和電源的電磁場(chǎng)屏蔽起來(lái)的關(guān)鍵。理想情況下，信號走線(xiàn)層與其回路接地層之間應該有一個(gè)絕緣隔離層，配對的層間距(或一對以上)應該越小越好。根據這些基 本概念和原則，才能設計出總能達到設計要求的電路板?，F在，IC的上升時(shí)間已經(jīng)很短并將更短，本文討論的技術(shù)對解決EMI屏蔽問(wèn)題是必不可少的。

　　作者Rick Hartley 是高速通訊設備制造商Applied Innovation 公司的高級硬體工程師，他在電子設計領(lǐng)域有35年經(jīng)驗，最近25年他專(zhuān)注於印刷電路板設計和開(kāi)發(fā)，過(guò)去10年他領(lǐng)導高速數位和RF電路板設計，重點(diǎn)是 EMI控制。