PCB板層設(shè)計與電磁兼容性研究

 在高速電路板設(shè)計過程中，電磁兼容性設(shè)計是一個重點，也是難點。本文從層數(shù)設(shè)計和層的布局兩方面論述了如何減少耦合源傳播途徑等方面減少傳導(dǎo)耦合與輻射耦合所引起的電磁干擾，提高電磁兼容性。 

關(guān)鍵詞：PCB;電磁兼容性;層設(shè)計 

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)計不過關(guān)所導(dǎo)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(shè)計是一項相當(dāng)復(fù)雜的技術(shù)，設(shè)計到電磁學(xué)等方面的知識。本文從層設(shè)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。 

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(shè)計過程中，**步是對所有的源和地，以及各種信號進(jìn)行統(tǒng)籌和分類，在分類的基礎(chǔ)進(jìn)行部署和設(shè)計。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，如時鐘高、頻信號等需要單獨設(shè)計層，而且需要增加地平面，對特殊信號進(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(shè)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(shè)計多個電源層，也可以在同一電源層對不同的電源進(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)計多個電源層。 
信號層層數(shù)的設(shè)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(shè)計軟件進(jìn)行設(shè)計，然后根據(jù)具體細(xì)節(jié)進(jìn)行修改。信號密度和特殊信號的完整性都必須是層數(shù)設(shè)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(shè)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(shè)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(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。由于缺乏有效的屏蔽，系統(tǒng)的抗干擾能力也降低。 

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

（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(guān)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(guān)鍵信號的下面設(shè)計地線層，這樣信號環(huán)路的路徑*短，輻射*小。 
（6）高速電路設(shè)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(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)計在接地平面之下。 
（2）布線層應(yīng)設(shè)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(shè)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(dǎo)，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(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，不能同等看待。

 
通過層數(shù)設(shè)計和層的布局可以大大地提高PCB板的電磁兼容性。層數(shù)設(shè)計主要要考慮電源層和地線層、高頻信號、特殊信號、敏感信號。層的布局主要要考慮各種耦合、地線及電源線布局、時鐘及高速信號布局、模擬信號與數(shù)字信息布局。