如何抑制高速PCB设计中的EMI（一）

我们将针对高速PCB设计，来分析如何进行EMI控制。 1 传输线RLC参数和EMI 对于PCB板来说，PCB上的每一条走线都可以有用三个基本的分布参数来对它进行描述，即电阻，电容和电感。在EMI和阻抗的控制中，电感和电容的作用很大。 电容是电路系统存储系统电能的元件。任何相邻的两条传输线之间，两层PCB导电层之间以及电压层和周围的地平面之间都可以组成电容。在这些所有的电容中，传输线和它的回流电流之间组成的电容数值最大，也数量最多，因为任何的传输线，它都会在它的周围通过某种导电物质形成回流。根据电容的公式：C=εs/(4kπd)，他们之间形成的电容的大小和传输线到参考平面的距离成反比，和传输线的直径(横截面积)成正比。我们都知道，如果电容的数值越大，那么他们之间存储的电场能量也越多，换句话说，他往外部泄露系统能量的比率将更少，那么这个系统产生的EMI就会得到一定的抑制作用。 电感是电路系统中存储周围磁场能量的元件。磁场是由流过导体的电流产生的感生场。电感的数值表示它存储导体周围磁场的能力，如果磁场减弱，感抗就会变小，感抗变大的时候，磁场就会增大，那么对外的磁能量辐射也会变大，即EMI值越大。所以，如果系统的电感越小，那么就能对EMI进行抑制。在低频情况下，如果导体变短，厚度变大，变宽的时候，导体的电感就会变小，而在高频情况下，磁场的大小则和导线及其回流构成的闭环面积的函数，如果把导线与其回路靠近，由于回流和本身电流大小相等(在最佳回流状态)方向相反，所以两者产生的磁场就会相互抵消，降低了导体的感应电感，所以，保持导体上电流和其最佳回流路径，能够一定程度的减小EMI。 而在一个实际电路中，导线的电容和电感是融合为一体的，我们如果只分析电容或者只考虑电感都有些片面，所以我们引入阻抗。阻抗是传输线上输入电压对输入电流的比率值(Z0=V/I)。导线和回路之间的阻抗是导线及其回路之间电感和电容的函数，阻抗ZO等于(L/C)1/2。。 通过前面的分析和阻抗ZO的公式，从抑制EMI角度上来说，我们希望阻抗越小越好。当阻抗比较小即电容较大和电感较小的时候，我们只要保持电路的正常布线，使电流保持最佳回流路径，就可以使EMI控制在最小。而当电容变小，电感变大，将会使系统屏蔽电磁场能量的能力下降，外泄电磁场能量增加，EMI变大。 2叠层设计抑制EMI 从前面的分析可以看到，低阻抗的参考平面在抑制EMI中起着至关重要的作用，因而我们在进行叠层设计时，应该特别注重参考平面层的安排。对于PCB板上的信号走线来说，好的分层应该是让所有的信号层两边紧挨着电源层或者接地层;从电源来看，好的分层是应该把电源与接地层相邻，且电源和接地层的距离尽可能的小，尽量保证电源和地层上的低阻抗。随着信号频率的不断提高，一般只有6层板以上的多层PCB板才能起到良好的EMI抑制效果。下面，我们以6层板为例，对不同的PCB迭层设计方案的性能优劣做一些比较。图1 六层PCB的两种典型叠层设计 六层PCB的叠层设计通常有两种方案(如图1所示)。对于第一种方案，我们可以把电源和地分别放在第3和第4层，这一设计虽然电源覆铜阻抗低，但是由于第1层和第6层为信号层，其电磁屏蔽性能差，导线上的很大一部分磁场都要辐射到外界，换句话说，信号电流和回流信号中，一个处于屏蔽范围内，而另一个却有一半处于屏蔽范围外，一个处于屏蔽范围之内，这样其实增加了差模EMI。但是如果两个外层上的信号线数量最少，走线长度很短(短于信号最高谐波波长的1/20)，则这种设计可以解决差模EMI问题。将外层上的无元件和无走线区域铺铜填充并将覆铜区接地(每1/20波长为间隔)，则对差模EMI的抑制特别好。而且我们还可以条件允许的情况下，在信号层的每一层靠边处铺设一圈铜，并且在1/20波长的间距内打控，也能很好的防止EMI的泄漏.如前所述，要将铺铜区与内部接地层多点相联。第二种方案就是将电源和地分别放在第2和第5层，虽然抑制了绝大部分差模EMI，但由于电源覆铜阻抗高，对减少共模EMI辐射的效果不好。此外，从信号阻抗 控制的观点来看，这一做法也是非常有利的，因而该方案成为目前应用最广泛的六层板设计方案。 如果我们能够有能力将所有的信号走线完全分布在两层内进行，那么我们可以采用其它更优化的叠层设计：将第1和第6层(两个表层)铺地，第3和第4层设置为电源和地。信号线走在2和5层，两边都有参考平面屏蔽，因而EMI抑制能力是优异的。该设计的缺点就是走线层只有两层，布线空间略显紧张。实际中要灵活处理，比如在铺铜区内也可以适当走线，只是要注意不能隔断上层信号的回流通路。 还有一种叠层方案为：信号、地、信号、电源、地、信号，这也可实现信号完整性设计所需要的良好的环境：信号层与参考层相邻，电源层和接地层配对。不足之处在于铺铜层的堆叠不平衡，这会给加工制造带来麻烦。解决问题的办法是将第3层所有的空白区域填铜，填铜后如果第3层的覆铜密度接近於电源层或接地层，这块板就可以近似地看作是结构平衡的。注意，填铜区必须接电源或接地(最好接地)，连接过孔之间的距离仍然是小于1/20波长。