多層布線的電磁兼容設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代電子設(shè)備工藝結(jié)構(gòu)的發(fā)展，印制電路板已取代了以往的許多復(fù)雜配線，為設(shè)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(shè)備中常用的印制電路板有以下幾種：一種為單面布線印制制板，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(shè)備，如收音機(jī)等。另一種為雙面布線印制板，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，提高了布線密度，減小了設(shè)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印制電路板，它是通過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；通過增設(shè)屏蔽層，可以提高電路的電氣性能。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越高，信號(hào)的傳輸速度更是越來越快，由此而引發(fā)的EMC問題也變得越來越突由。單面、雙面布線已滿足不了高性能電路要求，而多層布線電路的發(fā)展為解決以上問題提供了一種可能，并且其應(yīng)用正變得越來越廣泛。

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

1 多層布線的特點(diǎn)及發(fā)展

圖1給出了多層電路板結(jié)構(gòu)層面剖視圖。多層板是通過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 多層布線特點(diǎn)

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

（1）多層板內(nèi)部設(shè)有專用電源層、地線層，減小了供電線器的阻抗，從而減小了公共阻抗干擾。

印制電路板上單根銅箔導(dǎo)線的特性阻抗為：

Z=R+jwL （1）

R為印制導(dǎo)線的直流電阻，可以通過下式求得：

R=pl/bd （2）

p――銅的體積電阻率（Ω·cm）

l――印制導(dǎo)線長(zhǎng)度（cm）

b――印制導(dǎo)線寬度（cm）

d――印制導(dǎo)線厚度（cm）

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

L為印制導(dǎo)線的自感，可以通過下式求得：

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(dǎo)線的長(zhǎng)度、厚度一定時(shí)，增加導(dǎo)線的寬度可以減小導(dǎo)線的特性阻抗，從而相應(yīng)地減小公共阻抗的干擾。

（2）多層板采用專門地線層，對(duì)信號(hào)線而言都有均勻接地面，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。

在電路設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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)，地線上會(huì)出現(xiàn)較大電位差。原因集成電路的開關(guān)電流i與電源線和地線電阻R和電感L造成電壓降所至?？赏ㄟ^下式來描述：

E=ER+EL=Ri+L(di/dt) （4）

由式（4）可以看出，通過減小R和L將使電壓降能夠顯著減小。而多層板設(shè)計(jì)中，信號(hào)線與地層之間有均勻接地面，減小了R、L，保證了地線電位的穩(wěn)定。

（3）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)_。

串?dāng)_是指兩個(gè)或更多導(dǎo)體靠得比較近時(shí)，它們之間會(huì)有容性耦合，一個(gè)導(dǎo)體上的電壓大幅度變化時(shí)會(huì)向其它導(dǎo)體耦合電源。通常耦合電容反比于導(dǎo)體間的距離而正比于導(dǎo)體的面積。而在通過減小相鄰導(dǎo)體間的面積并增大相鄰距離，有利于減小串?dāng)_。采用多層布線，由于增加了獨(dú)立地線層，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(duì)敏感電路的影響。

（4）配線密度高。

與相應(yīng)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，配線密度高。

1.2 多層布線的發(fā)展

上面分析了多層布線不同于單面、雙面布線的特點(diǎn)。正是由于多層布線具有這些特點(diǎn)，從而為電路設(shè)計(jì)人員提供了一種理想的解決噪聲問題的途徑。在常規(guī)則的電路設(shè)計(jì)中，去耦電容安裝得當(dāng)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(bǔ)救辦法。更好的方法是不斷完善供電線路的設(shè)計(jì)，而多層布線的發(fā)展為其提供了一種可能。當(dāng)然，多層電路板還存在加工工藝復(fù)雜、成本高的特點(diǎn)，這是阻礙其發(fā)展的因素。但隨著印刷電路板技術(shù)的發(fā)展及大規(guī)模生產(chǎn)，多層電路板的使用將變得越來越廣泛。

2 電源電路電磁干擾分析及相應(yīng)抑制措施

電磁兼容（EMC）是指對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)的學(xué)科領(lǐng)域，通過研究和分析預(yù)測(cè)電磁干擾，提供抑制干擾的有效技術(shù)，進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，從而使電子系統(tǒng)和設(shè)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(duì)象就是電磁干擾。隨著電子系統(tǒng)和設(shè)備數(shù)量的逐漸增多和性能的不斷提高，電磁干擾將越來載嚴(yán)重。而電源電路作為任何電子設(shè)備所不可缺少的部分，其性能的好壞直接關(guān)系到了設(shè)備性能的優(yōu)劣。對(duì)電源電路系統(tǒng)來講，電磁干擾可分為輻射型和傳導(dǎo)型。輻射型干擾表現(xiàn)為電場(chǎng)或磁場(chǎng)的形式，而傳導(dǎo)型干擾總是以電壓或電流的形式來表現(xiàn)。電源電路中功率器件的切換或電源電壓的波動(dòng)過程，可以在連線上產(chǎn)生很大的dv/dt和di/dt的信號(hào)。它可以耦合到其它連線上造成電磁干擾。因而元件的選擇對(duì)于控制電磁干擾（EMI）至關(guān)重要，而且電路板的布局和連線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(xù)上產(chǎn)生很大的干擾信號(hào)，它可以耦合到其它連線上造成干擾問題，布局時(shí)要進(jìn)行特殊注意。

2.1.3 布線不合理

電源電路中的走線，應(yīng)該保護(hù)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，高頻開關(guān)電源電路中的EMI指標(biāo)往往可以在不增加任何元器件的改變線路的條件睛通過修改布線設(shè)計(jì)而得到改善。

2.2 多層布線對(duì)抑制電磁干擾的作用

這里從布線的角度，針對(duì)多層布線在抑制電磁干擾方面的作用加以分析。

2.2.1 布線中的一些規(guī)則

高速信號(hào)線要短，信號(hào)線和信號(hào)回路線所形成的環(huán)路面積要最小。為避免信號(hào)之間的相互串?dāng)_，兩條信號(hào)線切忌平行，而應(yīng)采取垂直交叉方式；或者拉開兩線之間的距離；也可在兩條平行的信號(hào)線之間增設(shè)一條地線。連線和電源線的走向盡量與數(shù)據(jù)傳輸方向垂直。地線的設(shè)計(jì)不應(yīng)該斷開，而應(yīng)該設(shè)計(jì)成環(huán)路，這樣可以避免地線上出現(xiàn)較大的電位差而引起地電位波動(dòng)，導(dǎo)致信號(hào)波形產(chǎn)生振蕩、電路誤動(dòng)作。

2.2.2 多層布線在抑制電磁干擾中的作用

上面給出了布線的一些規(guī)則。采用單面板、雙面板設(shè)計(jì)電源電路時(shí)有些規(guī)則并不能得到很好地實(shí)現(xiàn)。多層布線的使用彌補(bǔ)了這些不足。高密度的電源電路板上，兩個(gè)或更多導(dǎo)體靠得比較近時(shí)，它們之間存在容性耦合，一個(gè)導(dǎo)體上的大幅度電壓變化會(huì)向其它導(dǎo)體耦合電流。一般可以通過增加它們之間的距離或在導(dǎo)體之間增加一條接地線來消除耦合，但應(yīng)該保證接地層不向電路的敏感部分耦合噪聲，否則會(huì)對(duì)敏感電路產(chǎn)生不可忽視的影響。采用多層布線方式，電源、地線和信號(hào)分別占有獨(dú)立的層面（如圖1所示），這樣由整個(gè)層面構(gòu)成的電源線和接地線阻抗相當(dāng)?shù)?。電路板的分布電容由各層之間的距離和介電系數(shù)來決定，約為 10～1000pF/cm2。圖1中的E層上下表面經(jīng)過絕緣處理，既能預(yù)防線路板向外輻射噪聲，又能防止線路板接受外來噪聲；同時(shí)，電源線被密封在板內(nèi)，幾乎不接受任何外來噪聲，而且內(nèi)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(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 PROTEL99SE簡(jiǎn)介

PROTEL99SE 作為一個(gè)優(yōu)秀的板級(jí)設(shè)計(jì)軟件，是個(gè)功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。它由以下幾部分構(gòu)成：設(shè)計(jì)瀏覽器、原理圖捕獲、電路仿真、PLD設(shè)計(jì)、PCB布局、PCB自動(dòng)布線、信號(hào)完整性分析。設(shè)計(jì)瀏覽器為設(shè)計(jì)人員方便地進(jìn)入設(shè)計(jì)并使用創(chuàng)建設(shè)計(jì)的各種工具提供了一個(gè)便捷界面。原理圖捕獲部分類似于傳統(tǒng)的畫圖過程，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的入口點(diǎn)，從電路設(shè)計(jì)到PLC（可編程邏輯器件）編程，再到電路仿真和PCB設(shè)計(jì)（布局、布線），都以原理圖捕獲為基礎(chǔ)。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(kù)模塊）對(duì)模擬和數(shù)字信號(hào)設(shè)計(jì)進(jìn)行混合仿真。PLD設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)手段。PCB布局和PCB自動(dòng)布線完成印制電路板的布局與布線功能，執(zhí)行設(shè)計(jì)規(guī)則，產(chǎn)生印制板加工文件及輸出文件。信號(hào)完整性分析以印制電路板設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，設(shè)定相應(yīng)規(guī)則來測(cè)試網(wǎng)絡(luò)阻抗和上沖、下沖、上升、下降等時(shí)間。同時(shí)，通過執(zhí)行反射與串?dāng)_分析，能夠確切地分析布線的性能并產(chǎn)生準(zhǔn)確的結(jié)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(qiáng)大的電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

3.2 PROTEL99SE在電源電路電磁兼容設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

線路板設(shè)計(jì)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EMC標(biāo)準(zhǔn)而不能進(jìn)入生產(chǎn)。傳統(tǒng)的嘗試性方法仍是國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)人員普遍采用的方法，但各種各樣的借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法正應(yīng)運(yùn)而生。PROTEL99SE設(shè)計(jì)軟件內(nèi)部的自動(dòng)布線軟件包與SPICE仿真器件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了具有EMC設(shè)計(jì)的PCB計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

從上面布線規(guī)則可知，高速信號(hào)線要短，這可以通過配置長(zhǎng)度約束規(guī)則來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于投承載高速信號(hào)的走線網(wǎng)絡(luò)可以采和菊花鏈拓?fù)?，?guī)定允許最長(zhǎng)走線。并并導(dǎo)線容易引起相互串?dāng)_，可以通過配置并行走線的最大長(zhǎng)度來把串?dāng)_限制在允許的范圍之內(nèi)。由第2節(jié)分析可知，導(dǎo)線特性阻抗會(huì)引起公共阻抗干擾。采用 PROTEL99SE布線時(shí)，可以在信號(hào)完整性功能項(xiàng)設(shè)定中配置阻抗約束條件來保證網(wǎng)絡(luò)最大允許導(dǎo)線阻抗。同時(shí)，還可以通過設(shè)定信號(hào)完整性功能項(xiàng)中的上沖、下沖、延遲時(shí)間約束來保證信號(hào)的完整。 PROTEL99SE的強(qiáng)大設(shè)計(jì)功能為電源電路電磁兼容的設(shè)計(jì)提供了一種手段。當(dāng)然，設(shè)計(jì)過程中需要根據(jù)電磁干擾指標(biāo)去分析計(jì)算相應(yīng)的布線參數(shù)，這也是該軟件在電磁兼容設(shè)計(jì)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(duì)性能要求高的電路設(shè)計(jì)中，多層電路板使用將成為一種趨勢(shì)。而且在電源電路的設(shè)計(jì)中由于采用多層電路板，將使電磁兼容的設(shè)計(jì)得到較大的改善。