工程師：基于多層板PCB設(shè)計(jì)時(shí)的EMI解決方案

電源匯流排

在IC的電源引腳附近合理地安置適當(dāng)容量的電容，可使IC輸出電壓的跳變來得更快。然而，問題并非到此為止。由於電容呈有限頻率響應(yīng)的特性，這使得電容無法在全頻帶上生成干凈地驅(qū)動(dòng)IC輸出所需要的諧波功率。除此之外，電源匯流排上形成的瞬態(tài)電壓在去耦路徑的電感兩端會(huì)形成電壓降，這些瞬態(tài)電壓就是主要的共模EMI干擾源。我們應(yīng)該怎麼解決這些問題?

就我們電路板上的IC而言，IC周圍的電源層可以看成是優(yōu)良的高頻電容器，它可以收集為干凈輸出提供高頻能量的分立電容器所泄漏的那部份能量。此外，優(yōu)良的電源層的電感要小，從而電感所合成的瞬態(tài)信號(hào)也小，進(jìn)而降低共模EMI。

當(dāng)然，電源層到IC電源引腳的連線必須盡可能短，因?yàn)閿?shù)位信號(hào)的上升沿越來越快，最好是直接連到IC電源引腳所在的焊盤上，這要另外討論。

為了控制共模EMI，電源層要有助於去耦和具有足夠低的電感，這個(gè)電源層必須是一個(gè)設(shè)計(jì)相當(dāng)好的電源層的配對(duì)。有人可能會(huì)問，好到什麼程度才算好?問題的答案取決於電源的分層、層間的材料以及工作頻率(即IC上升時(shí)間的函數(shù))。通常，電源分層的間距是6mil，夾層是FR4材料，則每平方英寸電源層的等效電容約為75pF。顯然，層間距越小電容越大。

上升時(shí)間為100到300ps的器件并不多，但是按照目前IC的發(fā)展速度，上升時(shí)間在100到300ps范圍的器件將占有很高的比例。對(duì)於100到 300ps上升時(shí)間的電路，3mil層間距對(duì)大多數(shù)應(yīng)用將不再適用。那時(shí)，有必要采用層間距小於1mil的分層技術(shù)，并用介電常數(shù)很高的材料代替FR4介電材料?，F(xiàn)在，陶瓷和加陶塑料可以滿足100到300ps上升時(shí)間電路的設(shè)計(jì)要求。

盡管未來可能會(huì)采用新材料和新方法，但對(duì)於今天常見的1到3ns上升時(shí)間電路、3到6mil層間距和FR4介電材料，通常足夠處理高端諧波并使瞬態(tài)信號(hào)足夠低，就是說，共模EMI可以降得很低。本文給出的PCB分層堆疊設(shè)計(jì)實(shí)例將假定層間距為3到6mil。電磁屏蔽

從信號(hào)走線來看，好的分層策略應(yīng)該是把所有的信號(hào)走線放在一層或若干層，這些層緊挨著電源層或接地層。對(duì)於電源，好的分層策略應(yīng)該是電源層與接地層相鄰，且電源層與接地層的距離盡可能小，這就是我們所講的“分層"策略。

多電源層的設(shè)計(jì)

如果同一電壓源的兩個(gè)電源層需要輸出大電流，則電路板應(yīng)布成兩組電源層和接地層。在這種情況下，每對(duì)電源層和接地層之間都放置了絕緣層。這樣就得到我們期望的等分電流的兩對(duì)阻抗相等的電源匯流排。如果電源層的堆疊造成阻抗不相等，則分流就不均勻，瞬態(tài)電壓將大得多，并且EMI會(huì)急劇增加。

如果電路板上存在多個(gè)數(shù)值不同的電源電壓，則相應(yīng)地需要多個(gè)電源層，要牢記為不同的電源創(chuàng)建各自配對(duì)的電源層和接地層。在上述兩種情況下，確定配對(duì)電源層和接地層在電路板的位置時(shí)，切記制造商對(duì)平衡結(jié)構(gòu)的要求。

總結(jié)

鑒於大多數(shù)工程師設(shè)計(jì)的電路板是厚度62mil、不帶盲孔或埋孔的傳統(tǒng)印制電路板，本文關(guān)於電路板分層和堆疊的討論都局限於此。厚度差別太大的電路板，本文推薦的分層方案可能不理想。此外，帶盲孔或埋孔的電路板的加工制程不同，本文的分層方法也不適用。

電路板設(shè)計(jì)中厚度、過孔制程和電路板的層數(shù)不是解決問題的關(guān)鍵，優(yōu)良的分層堆疊是保證電源匯流排的旁路和去耦、使電源層或接地層上的瞬態(tài)電壓最小并將信號(hào)和電源的電磁場(chǎng)屏蔽起來的關(guān)鍵。理想情況下，信號(hào)走線層與其回路接地層之間應(yīng)該有一個(gè)絕緣隔離層，配對(duì)的層間距(或一對(duì)以上)應(yīng)該越小越好。根據(jù)這些基本概念和原則，才能設(shè)計(jì)出總能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的電路板?，F(xiàn)在，IC的上升時(shí)間已經(jīng)很短并將更短，本文討論的技術(shù)對(duì)解決EMI屏蔽問題是必不可少的。