多層板PCB設(shè)計時的EMI解決

　　6層板

　　如果4層板上的元件密度比較大，則最好采用6層板。但是，6層板設(shè)計中某些疊層方案對電磁場的屏蔽作用不夠好，對電源匯流排瞬態(tài)信號的降低作用甚微。下面討論兩個實例。

　　第一例將電源和地分別放在第2和第5層，由於電源覆銅阻抗高，對控制共模EMI輻射非常不利。不過，從信號的阻抗控制觀點來看，這一方法卻是非常正確的。

　　第二例將電源和地分別放在第3和第4層，這一設(shè)計解決了電源覆銅阻抗問題，由於第1層和第6層的電磁屏蔽性能差，差模EMI增加了。如果兩個外 層上的信號線數(shù)量最少，走線長度很短(短於信號最高諧波波長的1/20)，則這種設(shè)計可以解決差模EMI問題。將外層上的無元件和無走線區(qū)域鋪銅填充并將 覆銅區(qū)接地(每1/20波長為間隔)，則對差模EMI的抑制特別好。如前所述，要將鋪銅區(qū)與內(nèi)部接地層多點相聯(lián)。

　　通用高性能6層板設(shè)計 一般將第1和第6層布為地層，第3和第4層走電源和地。由於在電源層和接地層之間是兩層居中的雙微帶信號線層，因而EMI抑制能力是優(yōu)異的。該設(shè)計的缺點 在於走線層只有兩層。前面介紹過，如果外層走線短且在無走線區(qū)域鋪銅，則用傳統(tǒng)的6層板也可以實現(xiàn)相同的堆疊。

　　另一種6層板布局為信號、地、信號、電源、地、信號，這可實現(xiàn)高級信號完整性設(shè)計所需要的環(huán)境。信號層與接地層相鄰，電源層和接地層配對。顯然，不足之處是層的堆疊不平衡。

　　這通常會給加工制造帶來麻煩。解決問題的辦法是將第3層所有的空白區(qū)域填銅，填銅後如果第3層的覆銅密度接近於電源層或接地層，這塊板可以不嚴(yán)格地算作 是結(jié)構(gòu)平衡的電路板。填銅區(qū)必須接電源或接地。連接過孔之間的距離仍然是1/20波長，不見得處處都要連接，但理想情況下應(yīng)該連接。

　　10層板

　　由於多層板之間的絕緣隔離層非常薄，所以10或12層的電路板層與層之間的阻抗非常低，只要分層和堆疊不出問題，完全可望得到優(yōu)異的信號完整性。要按62mil厚度加工制造12層板，困難比較多，能夠加工12層板的制造商也不多。

　　由於信號層和回路層之間總是隔有絕緣層，在10層板設(shè)計中分配中間6層來走信號線的方案并非最佳。另外，讓信號層與回路層相鄰很重要，即板布局為信號、地、信號、信號、電源、地、信號、信號、地、信號。

　　這一設(shè)計為信號電流及其回路電流提供了良好的通路。恰當(dāng)?shù)牟季€策略是，第1層沿X方向走線，第3層沿Y方向走線，第4層沿X方向走線，以此類推。直觀地 看走線，第1層1和第3層是一對分層組合，第4層和第7層是一對分層組合，第8層和第10層是最後一對分層組合。當(dāng)需要改變走線方向時，第1層上的信號線 應(yīng)藉由“過孔"到第3層以後再改變方向。實際上，也許并不總能這樣做，但作為設(shè)計概念還是要盡量遵守。

　　同樣，當(dāng)信號的走線方向變化時， 應(yīng)該藉由過孔從第8層和第10層或從第4層到第7層。這樣布線可確保信號的前向通路和回路之間的耦合最緊。例如，如果信號在第1層上走線，回路在第2層且 只在第2層上走線，那麼第1層上的信號即使是藉由“過孔"轉(zhuǎn)到了第3層上，其回路仍在第2層，從而保持低電感、大電容的特性以及良好的電磁屏蔽性能。

　　如果實際走線不是這樣，怎麼辦?比如第1層上的信號線經(jīng)由過孔到第10層，這時回路信號只好從第9層尋找接地平面，回路電流要找到最近的接地過 孔 (如電阻或電容等元件的接地引腳)。如果碰巧附近存在這樣的過孔，則真的走運。假如沒有這樣近的過孔可用，電感就會變大，電容要減小，EMI一定會增加。

　　當(dāng)信號線必須經(jīng)由過孔離開現(xiàn)在的一對布線層到其他布線層時，應(yīng)就近在過孔旁放置接地過孔，這樣可以使回路信號順利返回恰當(dāng)?shù)慕拥貙印兜?層和第7層 分層組合，信號回路將從電源層或接地層(即第5層或第6層)返回，因為電源層和接地層之間的電容耦合良好，信號容易傳輸。

　　多電源層的設(shè)計

　　如果同一電壓源的兩個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會急劇增加。

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

　　總結(jié)

　　鑒於大多數(shù)工程師設(shè)計的電路板是厚度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 號和電源的電磁場屏蔽起來的關(guān)鍵。理想情況下，信號走線層與其回路接地層之間應(yīng)該有一個絕緣隔離層，配對的層間距(或一對以上)應(yīng)該越小越好。根據(jù)這些基 本概念和原則，才能設(shè)計出總能達(dá)到設(shè)計要求的電路板?，F(xiàn)在，IC的上升時間已經(jīng)很短并將更短，本文討論的技術(shù)對解決EMI屏蔽問題是必不可少的。

　　作者Rick Hartley 是高速通訊設(shè)備制造商Applied Innovation 公司的高級硬體工程師，他在電子設(shè)計領(lǐng)域有35年經(jīng)驗，最近25年他專注於印刷電路板設(shè)計和開發(fā)，過去10年他領(lǐng)導(dǎo)高速數(shù)位和RF電路板設(shè)計，重點是 EMI控制。