基于多層PCB板設(shè)計(jì)的電磁兼容（EMC）考量與應(yīng)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(shè)備或系統(tǒng)在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下，不因電磁干擾而降低性能指標(biāo)，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(tǒng)的正常運(yùn)行，并達(dá)到設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)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(tǒng)造成的，它包括由導(dǎo)線和公共地線的傳導(dǎo)、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(shè)計(jì)正確，印制電路板設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會(huì)對(duì)電子設(shè)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(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，本文主要討論電磁兼容技術(shù)及其在多層印制線路板( Printed Circuit Board，簡(jiǎn)稱(chēng)PCB)設(shè)計(jì)中的應(yīng)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(shè)備最基本的組成部分。 如今，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路已在電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)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(hào)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、中密度布線的電路和集成度較低的電路， 多層板使用高密度布線和集成度高的電路。 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、雙面布線已滿足不了高性能電路的要求，而多層布線電路的發(fā)展為解決以上問(wèn)題提供了一種可能，并且其應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛。

1　多層布線的特點(diǎn)

PCB是由具有多層結(jié)構(gòu)的有機(jī)和無(wú)機(jī)介質(zhì)材料組成，層之間的連接通過(guò)過(guò)孔來(lái)實(shí)現(xiàn)，過(guò)孔鍍上或填充金屬材料就可以實(shí)現(xiàn)層之間的電信號(hào)導(dǎo)通。 多層布線之所以得到廣泛的應(yīng)用，究其原因，有以下特點(diǎn)：

(1)多層板內(nèi)部設(shè)有專(zhuān)用電源層、地線層。 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(tǒng)所有信號(hào)提供回路，消除公共阻抗耦合干擾。 減小了供電線路的阻抗，從而減小了公共阻抗干擾。

(2)多層板采用了專(zhuān)門(mén)地線層，對(duì)所有信號(hào)線而言都有專(zhuān)門(mén)接地線。 信號(hào)線的特性：阻抗穩(wěn)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)的地線層加大了信號(hào)線和地線之間的分布電容，減小了串?dāng)_。

2　印制電路板的疊層設(shè)計(jì)

2. 1　PCB的布線規(guī)則

多層電路板的電磁兼容分析可以基于克希霍夫定律和法拉第電磁感應(yīng)定律。 根據(jù)克希霍夫定律， 任何時(shí)域信號(hào)由源到負(fù)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(tǒng)，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?yàn)榫哂凶銐虻膶佑米麟娫椿虻貙?，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上信號(hào)的電流返回通路。 構(gòu)造低阻抗的電流返回通路是這些平面層最重要的EMC目標(biāo)。

信號(hào)層分布在實(shí)體參考平面層之間，它們可以是對(duì)稱(chēng)的帶狀線和非對(duì)稱(chēng)的帶狀線。 以一個(gè)12層板為例說(shuō)明多層板的結(jié)構(gòu)和布局 。 其分層結(jié)構(gòu)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(hào)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(hào)在頂層和底層不應(yīng)傳輸太長(zhǎng)的距離，以便減少來(lái)自走線的直接輻射。 不相容的信號(hào)線應(yīng)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(shù)字與模擬信號(hào)線是不相容的， 元件布置中就應(yīng)該把不相容元件放在印制板上不同的位置， 在信號(hào)線的布置上仍要注意把它們隔離。設(shè)計(jì)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(qū)。 假設(shè)第11層有多個(gè)DC電壓，就意味著設(shè)計(jì)者必須將高速信號(hào)盡可能遠(yuǎn)離第10層和底層，因?yàn)榉祷仉娏鞑荒芰鬟^(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(hào)的信號(hào)層。 重要信號(hào)的走線盡可能以一個(gè)方向布局，以便優(yōu)化層上可能的走線通道數(shù)。 分布在不同層上的信號(hào)走線應(yīng)互相垂直，這樣可以減少線間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的耦合干擾，第3和第7層可以設(shè)定為“東西”走線，而第5和第9層設(shè)置為“南北”走線。 走線布在哪一層要根據(jù)其到達(dá)目的地的方向。

(2)高速信號(hào)走線時(shí)層的變化，及哪些不同的層用于一個(gè)獨(dú)立的走線，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(hào)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(qiáng)度、環(huán)路面積成正比。 實(shí)際上，最好的設(shè)計(jì)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(cè)改變到另一側(cè)。 如信號(hào)層的組合可以用作信號(hào)層對(duì)：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)布線組合。 但是第3層和第9層的組合就不應(yīng)使用，因?yàn)檫@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)由于存在引線和過(guò)孔電感而使電容失去作用。 并且這種走線會(huì)使信號(hào)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(nèi)部信號(hào)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盡可能短和寬，并且盡