電子產(chǎn)品很多可靠性和穩(wěn)定性的問題是有電磁兼容性設計不過關所導致的。常見的問題有信號的失真，信號噪音過大，工作過程中信號不穩(wěn)定，系統(tǒng)容易死機，系統(tǒng)易受環(huán)境干擾，抗干擾能力差等。電磁兼容性設計是一項相當復雜的技術，設計到電磁學等方面的知識。本文從層設計和層布局方面論述一些經(jīng)驗性的技巧，給電子工程師提供一些參考。

層數(shù)的配置

PCB板的層主要有電源層、地層和信號層，層數(shù)就是各個層數(shù)量的總和。在設計過程中，第一步是對所有的源和地，以及各種信號進行統(tǒng)籌和分類，在分類的基礎進行部署和設計。一般情況下不同的電源要分不同的層，不同的地也要有相應的地平面。各種特殊信號，如時鐘高、頻信號等需要單獨設計層，而且需要增加地平面，對特殊信號進行屏蔽，以提高電磁兼容性。當讓成本也是要考慮的因素之一，在設計過程中要在系統(tǒng)的電磁兼容性和成本之間找到一個平衡點。

電源層的設計首先要考慮的是電源的類型和數(shù)量。如果是只有一個電源供電，可以考慮單一電源層。在對電源要求高的情況下也可以有多個電源層對不同層的器件供電。如果是有多個電源，可以考慮設計多個電源層，也可以在同一電源層對不同的電源進行分割。分割的前提是電源之間沒有交叉，如果有交叉，則必須設計多個電源層。

信號層層數(shù)的設計要考慮到所有信號的特性。特殊信號的分層，屏蔽是要有限考慮的問題。一般情況下是先用設計軟件進行設計，然后根據(jù)具體細節(jié)進行修改。信號密度和特殊信號的完整性都必須是層數(shù)設計必須考慮的問題。對于特殊信息，在必要的情況下一定要設計地平面層作為屏蔽層。

在通常情況下，如果不是純粹考慮成本，不建議設計單面板或雙面板。因為單面板和雙面板雖然加工簡單成本低，但是在信號密度比較高和信號結構比較復雜的情況下，比如高速數(shù)字電路或者模數(shù)混合電路，由于單面板沒有專門的參考地線層，使得回路面積增大，輻射增強。由于缺乏有效的屏蔽，系統(tǒng)的抗干擾能力也降低。

PCB板層的布局設計

在確定完信號和層之后，各個層的布局也是需要科學設計的。PCB板設計中層的布局設計遵循如下原則：

(1)將電源層平面與相應的地平面相鄰。這樣設計的目的是形成耦合電容，并與PCB板上的去耦電容共同作用，降低電源平面的阻抗，同時獲得較寬的濾波效果。

(2)參考層的選擇非常重要，從理論上電源層和地層平面都能作為參考層，但是地平面層一般可以接地，這樣屏蔽效果要比電源層好很多，所以一般情況下優(yōu)先選擇地平面作為參考平面。

(3)相鄰兩層的關鍵信號不能跨分割區(qū)。否則會形成較大的信號環(huán)路，產(chǎn)生較強的輻射和耦合。

(4)要保持地平面的完整性，不能在地平面走線，如果信號線密度實在太大，可以考慮在電源層的邊緣走線。

(5)在高速信號，試中信號，高頻信號等關鍵信號的下面設計地線層，這樣信號環(huán)路的路徑最短，輻射最小。

(6)高速電路設計過程中必須考慮如何處理電源的輻射和對整個系統(tǒng)的干擾。一般情況下要使電源層平面的面積小于地平面的面積，這樣地平面可以對電源起屏蔽作用。一般要求電源平面比地平面縮進2倍的介質厚度。如果要減小電源層的縮進，就要使介質的厚度盡量小。

在多層印制板的布局設計中要遵循的一般原則：

(1)電源層平面應靠近接地平面，并且設計在接地平面之下。

(2)布線層應設計與整塊金屬平面相鄰。

(3) 數(shù)字信號和模擬信號要有隔離設計，首先要避免數(shù)字信號和模擬信號在同一個層，如果避免不了，可以采用模擬信號和數(shù)字信號分區(qū)域布線，用開槽等方式將模擬信號區(qū)和數(shù)字信號區(qū)隔離。對模擬電源和數(shù)字電源也一樣。尤其是數(shù)字電源，輻射非常大，一定要隔離并屏蔽。

(4)在中間層的印制線條形成平面波導，在表面層形成微帶線，兩者傳輸特性不同。

(5)時鐘電路和高頻電路是主要的干擾和輻射源，一定要單獨安排、遠離敏感電路。

(6)不同層所含的雜散電流和高頻輻射電流不同，布線時，不能同等看待。

在PCB疊層設計中，一般的參考原則是：

(1)在兩個電源地層之間的信號層為最好布線層。

(2)與電源地層相鄰的信號層為較好布線層。

(3)與電源正極層相鄰的信號層為次級布線層。

(4)在設計疊層結構時，需要考慮電磁干擾源在空間傳播特性上，距離越遠，衰減越快，對信號層干擾越小的原則。

(5)電源地層具有屏蔽電磁干擾源的作用，其一方面屏蔽和抑制自身信號線產(chǎn)生的干擾源對外輻射，解決自身輻射發(fā)射超標的問題;另外，其對外部干擾源也具備一定的屏蔽和抑制作用。

(6)電源正極層相對電源地層而言，對電磁干擾的屏蔽較弱。

(7)一般情況下，在設計疊層結構時，最好在內(nèi)部疊層設計時，讓電源正極層和電源地層相鄰，以提高電源的穩(wěn)定性。但是，也不絕對，為了提高屏蔽效果，在信號布線較少，元器件較少的情況下，為了提高產(chǎn)品的電磁兼容性，在做四層板疊層設計時，把頂層和底層作為電源地層，內(nèi)部兩層可以設置一層信號層和一層電源正極層。

四層PCB的疊層設計一般采用頂層和底層為信號層，中間兩層為電源正極和電源地層。這樣的疊層設計，緊挨電源地層的信號布線層為相對較好的布線層，緊挨電源正極的信號布線層為次級布線層。一般情況下，建議把距離外殼較遠的信號布線層和地層放在緊挨在一起，這樣可以把敏感信號放在該信號層，把其它信號線設計在另外一層。這樣做的原因是基于干擾源通過外殼引入內(nèi)部時，距離信號布線層越遠，信號衰減的越多，對敏感信號線的干擾相對較小。

1. 信號完整性的重要性：在高速多層PCB設計中，信號完整性問題如延遲、反射、串擾等會導致數(shù)據(jù)錯誤和系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了確保信號在高速傳輸中的穩(wěn)定性，設計時需考慮合適的走線策略、阻抗匹配、差分走線等技術，以及使用高速板材和低介電常數(shù)材料。

2. 電磁兼容性的挑戰(zhàn)：電磁干擾(EMI)是高速PCB設計中的另一個重要問題。不合理的設計可能導致設備無法正常工作，甚至影響其他設備。設計中應采取屏蔽、濾波、接地和布局優(yōu)化等措施，減少EMI的產(chǎn)生和耦合。

3. 層疊結構的優(yōu)化：合理的層疊結構可以提高信號完整性和電磁兼容性。通常，高速信號層應夾在兩個地層之間，以減少干擾。同時，電源層和地層的緊密耦合有助于降低電源阻抗，提高電源完整性。

4. 阻抗控制：阻抗不連續(xù)是導致信號反射和阻抗匹配問題的主要原因。設計時應確保走線的寬度、厚度和間距一致，以控制阻抗連續(xù)性。

5. 差分走線：對于高速數(shù)據(jù)傳輸，差分走線可以減少信號對外界的輻射和對噪聲的敏感度。設計時應注意差分走線的對稱性和距離保持。

6. 電源和地平面的設計：一個穩(wěn)定和低阻抗的電源分配系統(tǒng)對于維持信號完整性至關重要。設計時應考慮電源和地平面的連續(xù)性，以及去耦電容的合理布局。

7. 熱管理：高速多層PCB的熱管理對于信號完整性和EMC同樣重要。設計時應考慮散熱通道和熱敏感元件的布局。

8. 仿真和測試：在設計階段，應使用仿真工具預測和分析信號完整性和EMC問題。此外，原型測試和調試是驗證設計的關鍵步驟。

9. 材料選擇：選擇合適的PCB材料對于實現(xiàn)良好的SI和EMC性能至關重要。高Tg、低Dk和Df材料可以減少信號損耗和EMI。

10. 設計規(guī)范和標準遵循：遵循行業(yè)設計規(guī)范和EMC標準是確保產(chǎn)品兼容性和市場準入的關鍵。

本文將從PCB的分層策略、布局技巧和布線規(guī)則三個維度，深入探討EMC的PCB設計技術。首先，我們來了解一下PCB的分層策略。在電路板設計中，厚度、過孔制程和層數(shù)并非關鍵，而優(yōu)良的分層堆疊則是確保電源匯流排的旁路和去耦、最小化電源層或接地層上的瞬態(tài)電壓，以及有效屏蔽信號和電源電磁場的關鍵。

為了優(yōu)化信號走線，我們應該將所有信號走線集中在一層或幾層，并緊鄰電源層或接地層。同時，對于電源層與接地層的設置，應確保它們相鄰且距離盡可能小，以實現(xiàn)高效的“分層”策略。接下來，我們將具體探討如何制定優(yōu)良的PCB分層策略，包括布線層的投影平面應位于其回流平面層區(qū)域內(nèi)、避免相鄰布線層的設置導致信號串擾，以及確保相鄰平面層的投影平面不重疊以減少層間噪聲耦合。

當時鐘頻率超過5MHz或信號上升時間小于5ns時，為了更好地控制信號回路面積，我們通常需要采用多層板設計。在多層板設計中，應遵循以下原則：確保各層之間的噪聲隔離、優(yōu)化信號完整性、以及合理規(guī)劃電源和接地層。

對于關鍵布線層，如時鐘線、總線、接口信號線、射頻線、復位信號線、片選信號線以及各種控制信號線等所在層，應確保其與完整的地平面相鄰，最佳位置是位于兩地平面之間。