基于電磁兼容技術(shù)的多層PCB布線設(shè)計(jì)

摘　要:隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展以及芯片的高速化和集成化,各種電子設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)外的電磁環(huán)境更加復(fù)雜,因此在印制電路板的電路設(shè)計(jì)階段考慮電磁兼容性( EMC) 設(shè)計(jì)是非常重要的. 以12層板為例討論了多層PCB分層方法、布線的規(guī)則、地線和電源線布置以及電磁兼容性.

關(guān)鍵詞:電磁兼容;多層印刷電路板;布線;接地

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)展為解決以上問題提供了一種可能,并且其應(yīng)用變得越來越廣泛.

1　多層布線的特點(diǎn)

PCB是由具有多層結(jié)構(gòu)的有機(jī)和無機(jī)介質(zhì)材料組成,層之間的連接通過過孔來實(shí)現(xiàn),過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)問題: