基于多層PCB板設(shè)計的電磁兼容（EMC）考量與應(yīng)用

電磁兼容(Electro - Magnetic Compatibility，簡稱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，同時它們本身產(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)的正常運行，并達到設(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耦合3種基本形式。 實踐證明，即使電路原理圖設(shè)計正確，印制電路板設(shè)計不當，也會對電子設(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系統(tǒng)設(shè)計的關(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，簡稱PCB)設(shè)計中的應(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

PCB是由具有多層結(jié)構(gòu)的有機和無機介質(zhì)材料組成，層之間的連接通過過孔來實現(xiàn)，過孔鍍上或填充金屬材料就可以實現(xiàn)層之間的電信號導(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：

(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;同時電源層還為系統(tǒng)所有信號提供回路，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，對所有信號線而言都有專門接地線。 信號線的特性：阻抗穩(wěn)定、易匹配，減少了反射引起的波形畸變;同時，采用專門的地線層加大了信號線和地線之間的分布電容，減小了串擾。

2　印制電路板的疊層設(shè)計

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?；舴蚨?， 任何時域信號由源到負載的傳輸都必須有一個最低阻抗的路徑。

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體平面，因為具有足夠的層用作電源或地層，因此沒有必要將不同的DC電壓置于同一層上。 該層將會用作與它們相鄰的傳輸線上信號的電流返回通路。 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。

信號層分布在實體參考平面層之間，它們可以是對稱的帶狀線和非對稱的帶狀線。 以一個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，信號在頂層和底層不應(yīng)傳輸太長的距離，以便減少來自走線的直接輻射。 不相容的信號線應(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， 在信號線的布置上仍要注意把它們隔離。設(shè)計時要注意以下3個問題：

(1)確定哪個參考平面層將包含用于不同的DC電壓的多個電源區(qū)。 假設(shè)第11層有多個DC電壓，就意味著設(shè)計者必須將高速信號盡可能遠離第10層和底層，因為返回電流不能流過第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層分別為高速信號的信號層。 重要信號的走線盡可能以一個方向布局，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走線應(yīng)互相垂直，這樣可以減少線間的電場和磁場的耦合干擾，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)其到達目的地的方向。

(2)高速信號走線時層的變化，及哪些不同的層用于一個獨立的走線，確保返回電流從一個參考平面流到需要的新參考平面。 這樣是為了減小信號環(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)路輻射與電流強度、環(huán)路面積成正比。 實際上，最好的設(shè)計并不要求返回電流改變參考平面，而是簡單地從參考平面的一側(cè)改變到另一側(cè)。 如信號層的組合可以用作信號層對：第3層和第5層，第5層和第7層，第7層和第9層，這就允許一個東西方向和南北方向形成一個布線組合。 但是第3層和第9層的組合就不應(yīng)使用，因為這要求返回電流從第4層流到第8層。 盡管一個去耦電容可以放置在過孔附近，但在高頻時由于存在引線和過孔電感而使電容失去作用。 并且這種走線會使信號環(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