多層PCB板設(shè)計(jì)的電磁兼容設(shè)計(jì)考慮

電磁兼容（Electro - Magnetic Compatibility，簡(jiǎn)稱EMC）是一門新興綜合性學(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（ 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(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)：

　?。?）多層板內(nèi)部設(shè)有專用電源層、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。

　?。?）多層板采用了專門地線層，對(duì)所有信號(hào)線而言都有專門接地線。 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)，采用專門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?；舴蚨珊头ɡ陔姶鸥袘?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)稱的帶狀線和非對(duì)稱的帶狀線。 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 - 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，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：

　?。?）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。

　?。?）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。

　?。?）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(yīng)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)具有天線作用。 表1列出了疊層設(shè)計(jì)布局的參考配置。

　　疊層設(shè)計(jì)布局的參考配置

　2. 2　20 - H規(guī)則及3 -W 法則

　　在多層PCB板電磁兼容性設(shè)計(jì)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(guī)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，這種層間的耦合稱為邊緣效應(yīng)，當(dāng)使用高速的數(shù)字邏輯和時(shí)鐘信號(hào)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(yīng)，電源平面的物理尺寸都應(yīng)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(yīng)通常發(fā)生在10H左右， 20H時(shí)約10%的磁通被阻斷，如果想達(dá)到98%磁通被阻斷的話，則需要100%的邊界值，如圖1所示。 20 - H規(guī)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(yù)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(yīng)

　　3 - W法則：當(dāng)兩條印制線間距較小時(shí)，兩條線之間會(huì)發(fā)生電磁串?dāng)_，這會(huì)使有關(guān)電路功能失常，為避免這種干擾，應(yīng)保持任何線條間距不小于3倍印制線條寬度，即不小于3W （W為印制線條寬度）。 印制線條寬度取決于線條阻抗的要求，太寬會(huì)影響布線密度，太窄會(huì)影響傳輸?shù)浇K端的信號(hào)完整性和強(qiáng)度。 時(shí)鐘電路、差分對(duì)、I/O端口的布線都是3 - W原則的基本應(yīng)用對(duì)象。 3 - W原則只是表示了串?dāng)_能量衰減70%的電磁通量線邊界，若要求更高，如保證串?dāng)_能量衰減98%的電磁通量邊界線就必須采用10W間隔。

　　2. 3　地線的布置

　　首先，要建立分布參數(shù)的概念，高于一定頻率時(shí)， 任何金屬導(dǎo)線都要看成是由電阻、電感構(gòu)成的器件 。 所以接地引線具有一定阻抗并且構(gòu)成電氣回路，不管是單點(diǎn)接地還是多點(diǎn)接地， 都必須構(gòu)成低阻抗回路進(jìn)入真正的地或機(jī)架。 25mm 長(zhǎng)的典型印制線大約會(huì)表現(xiàn)15～ 20nH電感，加上分布電容的存在，就會(huì)在接地板和設(shè)備機(jī)架之間構(gòu)成諧振電路。 其次， 接地電流流經(jīng)接地線時(shí)，會(huì)產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)和天線效應(yīng)。 當(dāng)線條長(zhǎng)度為1 /4波長(zhǎng)時(shí)，表現(xiàn)出很高的阻抗，接地線實(shí)際上是開(kāi)路的， 接地線反而成為向外輻射的天線。 最后，接地板上充滿高頻電流和騷擾形成的渦流，因此，在接地點(diǎn)之間構(gòu)成許多回路，這些回路的直徑（或接地點(diǎn)間距） 應(yīng)小于最高頻率波長(zhǎng)的1 /20. 選擇恰當(dāng)?shù)钠骷窃O(shè)計(jì)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(zhǎng)的， 決不要選比電路要求時(shí)序快的邏輯器件。

　　2. 4　電源線的布置

　　對(duì)于多層板， 采用電源層- 地層結(jié)構(gòu)供電，這種結(jié)構(gòu)的特性阻抗比軌線對(duì)小得多，可以做到小于1Ω。 這種結(jié)構(gòu)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下面走， 除非有地層隔縫阻擋， 因此信號(hào)環(huán)路也總是最小的。 可見(jiàn)電源層- 地層結(jié)構(gòu)與軌線對(duì)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(jié)束語(yǔ)

　　總之，在多層PCB設(shè)計(jì)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(dāng)， 以免通過(guò)電場(chǎng)耦合或磁場(chǎng)耦合干擾其他電路; 根據(jù)情況分別設(shè)置地線， 以防止共地線阻抗耦合干擾; 供電環(huán)路面積應(yīng)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(hào)線要相互隔離， 以免產(chǎn)生耦合干擾; 還應(yīng)減小信號(hào)環(huán)路面積， 以降低環(huán)路輻射和共模輻射.