PCB板层设计与电磁兼容性的关系

电子产品很多可靠性和稳定性的问题是有电磁兼容性设计不过关所导致的。常见的问题有信号的失真，信号噪音过大，工作过程中信号不稳定，系统容易死机，系统易受环境干扰，抗干扰能力差等。电磁兼容性设计是一项相当复杂的技术，设计到电磁学等方面的知识。本文从层设计和层布局方面论述一些经验性的技巧，给电子工程师提供一些参考。

层数的配置

PCB板的层主要有電源层、地层和信号层，层数就是各个层数量的总和。在设计过程中，第一步是对所有的源和地，以及各种信号进行统筹和分类，在分类的基础进行部署和设计。一般情况下不同的电源要分不同的层，不同的地也要有相应的地平面。各种特殊信号，如时钟高、频信号等需要单独设计层，而且需要增加地平面，对特殊信号进行屏蔽，以提高电磁兼容性。当让成本也是要考虑的因素之一，在设计过程中要在系统的电磁兼容性和成本之间找到一个平衡点。

电源层的设计首先要考虑的是电源的类型和数量。如果是只有一个电源供电，可以考虑单一电源层。在对电源要求高的情况下也可以有多个电源层对不同层的器件供电。如果是有多个电源，可以考虑设计多个电源层，也可以在同一电源层对不同的电源进行分割。分割的前提是电源之间没有交叉，如果有交叉，则必须设计多个电源层。

信号层层数的设计要考虑到所有信号的特性。特殊信号的分层，屏蔽是要有限考虑的问题。一般情况下是先用设计软件进行设计，然后根据具体细节进行修改。信号密度和特殊信号的完整性都必须是层数设计必须考虑的问题。对于特殊信息，在必要的情况下一定要设计地平面层作为屏蔽层。

在通常情况下，如果不是纯粹考虑成本，不建议设计单面板或双面板。因为单面板和双面板虽然加工简单成本低，但是在信号密度比较高和信号结构比较复杂的情况下，比如高速数字电路或者模数混合电路，由于单面板没有专门的参考地线层，使得回路面积增大，辐射增强。由于缺乏有效的屏蔽，系统的抗干扰能力也降低。

PCB板层的布局设计

在确定完信号和层之后，各个层的布局也是需要科学设计的。PCB板设计中层的布局设计遵循如下原则：

(1)将电源层平面与相应的地平面相邻。这样设计的目的是形成耦合电容，并与PCB板上的去耦电容共同作用，降低电源平面的阻抗，同时获得较宽的滤波效果。

(2)参考层的选择非常重要，从理论上电源层和地层平面都能作为参考层，但是地平面层一般可以接地，这样屏蔽效果要比电源层好很多，所以一般情况下优先选择地平面作为参考平面。

(3)相邻两层的关键信号不能跨分割区。否则会形成较大的信号环路，产生较强的辐射和耦合。

(4)要保持地平面的完整性，不能在地平面走线，如果信号线密度实在太大，可以考虑在电源层的边缘走线。

(5)在高速信号，试中信号，高频信号等关键信号的下面设计地线层，这样信号环路的路径最短，辐射最小。

(6)高速电路设计过程中必须考虑如何处理电源的辐射和对整个系统的干扰。一般情况下要使电源层平面的面积小于地平面的面积，这样地平面可以对电源起屏蔽作用。一般要求电源平面比地平面缩进2倍的介质厚度。如果要减小电源层的缩进，就要使介质的厚度尽量小。

在多层印制板的布局设计中要遵循的一般原则：

(1)电源层平面应靠近接地平面，并且设计在接地平面之下。

(2)布线层应设计与整块金属平面相邻。

(3) 数字信号和模拟信号要有隔离设计，首先要避免数字信号和模拟信号在同一个层，如果避免不了，可以采用模拟信号和数字信号分区域布线，用开槽等方式将模拟信号区和数字信号区隔离。对模拟电源和数字电源也一样。尤其是数字电源，辐射非常大，一定要隔离并屏蔽。

(4)在中间层的印制线条形成平面波导，在表面层形成微带线，两者传输特性不同。

(5)时钟电路和高频电路是主要的干扰和辐射源，一定要单独安排、远离敏感电路。

(6)不同层所含的杂散电流和高频辐射电流不同，布线时，不能同等看待。

在PCB叠层设计中，一般的参考原则是：

(1)在两个电源地层之间的信号层为最好布线层。

(2)与电源地层相邻的信号层为较好布线层。

(3)与电源正极层相邻的信号层为次级布线层。

(4)在设计叠层结构时，需要考虑电磁干扰源在空间传播特性上，距离越远，衰减越快，对信号层干扰越小的原则。

(5)电源地层具有屏蔽电磁干扰源的作用，其一方面屏蔽和抑制自身信号线产生的干扰源对外辐射，解决自身辐射发射超标的问题;另外，其对外部干扰源也具备一定的屏蔽和抑制作用。

(6)电源正极层相对电源地层而言，对电磁干扰的屏蔽较弱。

(7)一般情况下，在设计叠层结构时，最好在内部叠层设计时，让电源正极层和电源地层相邻，以提高电源的稳定性。但是，也不绝对，为了提高屏蔽效果，在信号布线较少，元器件较少的情况下，为了提高产品的电磁兼容性，在做四层板叠层设计时，把顶层和底层作为电源地层，内部两层可以设置一层信号层和一层电源正极层。

四层PCB的叠层设计一般采用顶层和底层为信号层，中间两层为电源正极和电源地层。这样的叠层设计，紧挨电源地层的信号布线层为相对较好的布线层，紧挨电源正极的信号布线层为次级布线层。一般情况下，建议把距离外壳较远的信号布线层和地层放在紧挨在一起，这样可以把敏感信号放在该信号层，把其它信号线设计在另外一层。这样做的原因是基于干扰源通过外壳引入内部时，距离信号布线层越远，信号衰减的越多，对敏感信号线的干扰相对较小。

1. 信号完整性的重要性：在高速多层PCB设计中，信号完整性问题如延迟、反射、串扰等会导致数据错误和系统不稳定。为了确保信号在高速传输中的稳定性，设计时需考虑合适的走线策略、阻抗匹配、差分走线等技术，以及使用高速板材和低介电常数材料。

2. 电磁兼容性的挑战：电磁干扰(EMI)是高速PCB设计中的另一个重要问题。不合理的设计可能导致设备无法正常工作，甚至影响其他设备。设计中应采取屏蔽、滤波、接地和布局优化等措施，减少EMI的产生和耦合。

3. 层叠结构的优化：合理的层叠结构可以提高信号完整性和电磁兼容性。通常，高速信号层应夹在两个地层之间，以减少干扰。同时，电源层和地层的紧密耦合有助于降低电源阻抗，提高电源完整性。

4. 阻抗控制：阻抗不连续是导致信号反射和阻抗匹配问题的主要原因。设计时应确保走线的宽度、厚度和间距一致，以控制阻抗连续性。

5. 差分走线：对于高速数据传输，差分走线可以减少信号对外界的辐射和对噪声的敏感度。设计时应注意差分走线的对称性和距离保持。

6. 电源和地平面的设计：一个稳定和低阻抗的电源分配系统对于维持信号完整性至关重要。设计时应考虑电源和地平面的连续性，以及去耦电容的合理布局。

7. 热管理：高速多层PCB的热管理对于信号完整性和EMC同样重要。设计时应考虑散热通道和热敏感元件的布局。

8. 仿真和测试：在设计阶段，应使用仿真工具预测和分析信号完整性和EMC问题。此外，原型测试和调试是验证设计的关键步骤。

9. 材料选择：选择合适的PCB材料对于实现良好的SI和EMC性能至关重要。高Tg、低Dk和Df材料可以减少信号损耗和EMI。

10. 设计规范和标准遵循：遵循行业设计规范和EMC标准是确保产品兼容性和市场准入的关键。

本文将从PCB的分层策略、布局技巧和布线规则三个维度，深入探讨EMC的PCB设计技术。首先，我们来了解一下PCB的分层策略。在电路板设计中，厚度、过孔制程和层数并非关键，而优良的分层堆叠则是确保电源汇流排的旁路和去耦、最小化电源层或接地层上的瞬态电压，以及有效屏蔽信号和电源电磁场的关键。

为了优化信号走线，我们应该将所有信号走线集中在一层或几层，并紧邻电源层或接地层。同时，对于电源层与接地层的设置，应确保它们相邻且距离尽可能小，以实现高效的“分层”策略。接下来，我们将具体探讨如何制定优良的PCB分层策略，包括布线层的投影平面应位于其回流平面层区域内、避免相邻布线层的设置导致信号串扰，以及确保相邻平面层的投影平面不重叠以减少层间噪声耦合。

当时钟频率超过5MHz或信号上升时间小于5ns时，为了更好地控制信号回路面积，我们通常需要采用多层板设计。在多层板设计中，应遵循以下原则：确保各层之间的噪声隔离、优化信号完整性、以及合理规划电源和接地层。

对于关键布线层，如时钟线、总线、接口信号线、射频线、复位信号线、片选信号线以及各种控制信号线等所在层，应确保其与完整的地平面相邻，最佳位置是位于两地平面之间。