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(shè)計(jì)不過關(guān)所導(dǎo)致的。常見的問題有信號(hào)的失真，信號(hào)噪音過大，工作過程中信號(hào)不穩(wěn)定，系統(tǒng)容易死機(jī)，系統(tǒng)易受環(huán)境干擾，抗干擾能力差等。電磁兼容性設(shè)計(jì)是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的技術(shù)，設(shè)計(jì)到電磁學(xué)等方面的知識(shí)。本文從層設(shè)計(jì)和層布局方面論述一些經(jīng)驗(yàn)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(hào)層，層數(shù)就是各個(gè)層數(shù)量的總和。在設(shè)計(jì)過程中，第一步是對(duì)所有的源和地，以及各種信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)籌和分類，在分類的基礎(chǔ)進(jìn)行部署和設(shè)計(jì)。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(yīng)的地平面。各種特殊信號(hào)，如時(shí)鐘高、頻信號(hào)等需要單獨(dú)設(shè)計(jì)層，而且需要增加地平面，對(duì)特殊信號(hào)進(jìn)行屏蔽，以提高電磁兼容性。當(dāng)讓成本也是要考慮的因素之一，在設(shè)計(jì)過程中要在系統(tǒng)的電磁兼容性和成本之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。

電源層的設(shè)計(jì)首先要考慮的是電源的類型和數(shù)量。如果是只有一個(gè)電源供電，可以考慮單一電源層。在對(duì)電源要求高的情況下也可以有多個(gè)電源層對(duì)不同層的器件供電。如果是有多個(gè)電源，可以考慮設(shè)計(jì)多個(gè)電源層，也可以在同一電源層對(duì)不同的電源進(jìn)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(shè)計(jì)多個(gè)電源層。

信號(hào)層層數(shù)的設(shè)計(jì)要考慮到所有信號(hào)的特性。特殊信號(hào)的分層，屏蔽是要有限考慮的問題。一般情況下是先用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后根據(jù)具體細(xì)節(jié)進(jìn)行修改。信號(hào)密度和特殊信號(hào)的完整性都必須是層數(shù)設(shè)計(jì)必須考慮的問題。對(duì)于特殊信息，在必要的情況下一定要設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)單面板或雙面板。因?yàn)閱蚊姘搴碗p面板雖然加工簡(jiǎn)單成本低，但是在信號(hào)密度比較高和信號(hào)結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(qiáng)。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(shè)計(jì)

在確定完信號(hào)和層之后，各個(gè)層的布局也是需要科學(xué)設(shè)計(jì)的。PCB板設(shè)計(jì)中層的布局設(shè)計(jì)遵循如下原則：

(1)將電源層平面與相應(yīng)的地平面相鄰。這樣設(shè)計(jì)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(shí)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(guān)鍵信號(hào)不能跨分割區(qū)。否則會(huì)形成較大的信號(hào)環(huán)路，產(chǎn)生較強(qiáng)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(hào)線密度實(shí)在太大，可以考慮在電源層的邊緣走線。

(5)在高速信號(hào)，試中信號(hào)，高頻信號(hào)等關(guān)鍵信號(hào)的下面設(shè)計(jì)地線層，這樣信號(hào)環(huán)路的路徑最短，輻射最小。

(6)高速電路設(shè)計(jì)過程中必須考慮如何處理電源的輻射和對(duì)整個(gè)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(duì)電源起屏蔽作用。一般要求電源平面比地平面縮進(jìn)2倍的介質(zhì)厚度。如果要減小電源層的縮進(jìn)，就要使介質(zhì)的厚度盡量小。

在多層印制板的布局設(shè)計(jì)中要遵循的一般原則：

(1)電源層平面應(yīng)靠近接地平面，并且設(shè)計(jì)在接地平面之下。

(2)布線層應(yīng)設(shè)計(jì)與整塊金屬平面相鄰。

(3) 數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)要有隔離設(shè)計(jì)，首先要避免數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)在同一個(gè)層，如果避免不了，可以采用模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)分區(qū)域布線，用開槽等方式將模擬信號(hào)區(qū)和數(shù)字信號(hào)區(qū)隔離。對(duì)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(dǎo)，在表面層形成微帶線，兩者傳輸特性不同。

(5)時(shí)鐘電路和高頻電路是主要的干擾和輻射源，一定要單獨(dú)安排、遠(yuǎn)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(shí)，不能同等看待。

在PCB疊層設(shè)計(jì)中，一般的參考原則是：

(1)在兩個(gè)電源地層之間的信號(hào)層為最好布線層。

(2)與電源地層相鄰的信號(hào)層為較好布線層。

(3)與電源正極層相鄰的信號(hào)層為次級(jí)布線層。

(4)在設(shè)計(jì)疊層結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮電磁干擾源在空間傳播特性上，距離越遠(yuǎn)，衰減越快，對(duì)信號(hào)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(hào)線產(chǎn)生的干擾源對(duì)外輻射，解決自身輻射發(fā)射超標(biāo)的問題;另外，其對(duì)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(duì)電源地層而言，對(duì)電磁干擾的屏蔽較弱。

(7)一般情況下，在設(shè)計(jì)疊層結(jié)構(gòu)時(shí)，最好在內(nèi)部疊層設(shè)計(jì)時(shí)，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(duì)，為了提高屏蔽效果，在信號(hào)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(shè)計(jì)時(shí)，把頂層和底層作為電源地層，內(nèi)部?jī)蓪涌梢栽O(shè)置一層信號(hào)層和一層電源正極層。

四層PCB的疊層設(shè)計(jì)一般采用頂層和底層為信號(hào)層，中間兩層為電源正極和電源地層。這樣的疊層設(shè)計(jì)，緊挨電源地層的信號(hào)布線層為相對(duì)較好的布線層，緊挨電源正極的信號(hào)布線層為次級(jí)布線層。一般情況下，建議把距離外殼較遠(yuǎn)的信號(hào)布線層和地層放在緊挨在一起，這樣可以把敏感信號(hào)放在該信號(hào)層，把其它信號(hào)線設(shè)計(jì)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(shí)，距離信號(hào)布線層越遠(yuǎn)，信號(hào)衰減的越多，對(duì)敏感信號(hào)線的干擾相對(duì)較小。

1. 信號(hào)完整性的重要性：在高速多層PCB設(shè)計(jì)中，信號(hào)完整性問題如延遲、反射、串?dāng)_等會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了確保信號(hào)在高速傳輸中的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮合適的走線策略、阻抗匹配、差分走線等技術(shù)，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(shè)計(jì)中的另一個(gè)重要問題。不合理的設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作，甚至影響其他設(shè)備。設(shè)計(jì)中應(yīng)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(jié)構(gòu)的優(yōu)化：合理的層疊結(jié)構(gòu)可以提高信號(hào)完整性和電磁兼容性。通常，高速信號(hào)層應(yīng)夾在兩個(gè)地層之間，以減少干擾。同時(shí)，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(dǎo)致信號(hào)反射和阻抗匹配問題的主要原因。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(duì)于高速數(shù)據(jù)傳輸，差分走線可以減少信號(hào)對(duì)外界的輻射和對(duì)噪聲的敏感度。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意差分走線的對(duì)稱性和距離保持。

6. 電源和地平面的設(shè)計(jì)：一個(gè)穩(wěn)定和低阻抗的電源分配系統(tǒng)對(duì)于維持信號(hào)完整性至關(guān)重要。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(duì)于信號(hào)完整性和EMC同樣重要。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮散熱通道和熱敏感元件的布局。

8. 仿真和測(cè)試：在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)使用仿真工具預(yù)測(cè)和分析信號(hào)完整性和EMC問題。此外，原型測(cè)試和調(diào)試是驗(yàn)證設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。

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

10. 設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)遵循：遵循行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范和EMC標(biāo)準(zhǔn)是確保產(chǎn)品兼容性和市場(chǎng)準(zhǔn)入的關(guān)鍵。

本文將從PCB的分層策略、布局技巧和布線規(guī)則三個(gè)維度，深入探討EMC的PCB設(shè)計(jì)技術(shù)。首先，我們來了解一下PCB的分層策略。在電路板設(shè)計(jì)中，厚度、過孔制程和層數(shù)并非關(guān)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(hào)和電源電磁場(chǎng)的關(guān)鍵。

為了優(yōu)化信號(hào)走線，我們應(yīng)該將所有信號(hào)走線集中在一層或幾層，并緊鄰電源層或接地層。同時(shí)，對(duì)于電源層與接地層的設(shè)置，應(yīng)確保它們相鄰且距離盡可能小，以實(shí)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(yīng)位于其回流平面層區(qū)域內(nèi)、避免相鄰布線層的設(shè)置導(dǎo)致信號(hào)串?dāng)_，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(dāng)時(shí)鐘頻率超過5MHz或信號(hào)上升時(shí)間小于5ns時(shí)，為了更好地控制信號(hào)回路面積，我們通常需要采用多層板設(shè)計(jì)。在多層板設(shè)計(jì)中，應(yīng)遵循以下原則：確保各層之間的噪聲隔離、優(yōu)化信號(hào)完整性、以及合理規(guī)劃電源和接地層。

對(duì)于關(guān)鍵布線層，如時(shí)鐘線、總線、接口信號(hào)線、射頻線、復(fù)位信號(hào)線、片選信號(hào)線以及各種控制信號(hào)線等所在層，應(yīng)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。