针对 EMI 设计 PCB，第 2 部分：基本层叠

本系列的第 1 部分描述了数字信号如何通过 PCB 板传播。 1、2、5、6]。在第 2 部分中，我们将研究实现低 EMI 的特定电路板设计。我在客户的电路板设计中看到的最大问题是层堆叠不良。

重申第 1 部分中的两个基本规则，并实现数字信号和功率(瞬态)是在介电层中移动的电磁波，我们看到在 PC 板设计方面有两个非常重要的原则：

1. PC 板上的每条信号和电源走线(或平面)都应被视为传输线。

2. 传输线中的数字信号传播实际上是铜迹线和 GRP 之间空间中电磁场的运动。

要构建传输线，您需要两块相邻的金属来捕获或包含磁场。例如，邻近接地返回平面 (GRP) 上的微带线或邻近 GRP 的带状线或邻近 GRP 的电源迹线(或平面)。例如，在电源和接地参考平面之间放置多个信号层将导致快速信号出现真正的 EMI 问题。遵守这两条规则将决定层的堆叠。

换句话说，每个信号或电源走线(路由电源)必须有一个相邻的 GRP，并且所有电源层都应该有一个相邻的 GRP。多个 GRP 应通过缝合过孔矩阵连接在一起。在本文中，我们将研究几种层叠设计。

典型的六层设计 (Altium)

我经常看到的一种堆叠就是这种六层设计(图 1)。这在 2000 年代初到 2000 年代初的 20 世纪 90 年代可能很有效，但随着当今速度更快的混合信号技术的发展，它成为了 EMI 灾难的根源。这有两个问题：底部两个信号层以电源平面为参考，而电源和接地返回平面不相邻且相距太远。

图 1一种非常常见但较差的 EMI 层叠设计(6 层示例)。信号层 4 和 6 以电源为参考，而 GRP 和电源层不相邻，中间有两个信号层。这将耦合这两个信号层上的功率瞬变。

除了少数例外情况(例如某些 DDR RAM 电源和信号)，电流都希望返回其源，这些源以 GRP 为参考。将这些信号引用到电源层具有很大的 EMI 风险，因为除了通过面间电容(在这种情况下相对较小)之外，没有明确定义的返回路径。此外，返回路径中的这些间隙会导致场泄漏到电路板介电层的其他区域。这反过来又会导致交叉耦合和辐射 EMI。

当我们将电源和 GRP 通过两个信号层分开时，就会出现第二个问题。任何电源网络瞬态都会在介电层内交叉耦合，耦合到沿途第 3 层和第 4 层上的任何信号迹线。如果这些平面之间的距离超过 3-4 密耳，您也会失去任何平面间电容优势。

以下是符合数字信号传播传输线方面要求的印刷电路板层叠的几种想法。

四层板：设计 1

良好的四层板堆叠可改善 EMI(图 2)。我们使用路由或浇注电源以及第 2 层和第 3 层上的信号来代替电源层。因此，每个信号/电源走线都与 GRP 相邻。此外，只要将两个 GRP 通过缝合过孔矩阵连接在一起，就可以轻松在所有层之间走通孔。如果沿着周边(例如，每 5 毫米)运行一排缝合过孔，就会形成法拉第笼。

图 2这种良好的四层板堆叠可改善 EMI，使信号和路由电源保持在接地参考平面附近。

四层板：设计 2

另一方面，如果您希望访问信号和路由/浇注电源走线，您可以简单地反转层对，使两个 GRP 层位于中间，两个信号层位于顶部和底部，具有路由电源和足够的去耦电容，而不是电源层(图 3)。

图 3这种良好的四层板层叠结构可改善 EMI，将接地参考平面置于板内。

对于这两种四层设计，您需要运行一种缝合过孔图案，连接两个 GRP，最大间距约为 1 厘米。

八层板 (Altium)

四层板和八层板设计(图 4)都遵循两个基本规则，以保持良好的传输线设计。此外，对于八层设计，电源层和 GRP 层现在相距 4 密耳，提供相当好的层间电容。再近一点就更好了。例如，1 密耳至 3 密耳的间距是最小化 EMI 的理想选择。所有 GRP 均应使用 1 厘米的过孔图案缝合在一起。

图 4良好的 EMI 层叠设计(8 层示例)。所有信号层都参考相邻的GRP，而功率也参考相邻的GRP。

当然，在信号和 GRP 或电源和 GRP 之间创建适当的传输线对方面还有更多的迭代。

两层板呢?

很简单，只需在第 1 层上运行信号和路由电源，并在第 2 层上使用 GRP。嗯，这可能在昨天的技术中有效。在当今的技术中，我们经常需要使用至少两层来运行信号。答案是在两条信号迹线之间运行“三元组”并使用接地返回迹线(图 5)。

图 5信号路由三元组的示例，以及尝试保留路由电源的传输线原理。

在这里，我们看到了保留路由电源的传输线属性的尝试。该示例还显示了模拟信号迹线，它们之间有一条接地返回迹线——路由的“三元组”。由于在每条信号迹线和返回迹线之间充分捕获了电磁场，因此几乎没有场泄漏。