多層板PCB設(shè)計(jì)時(shí)的EMI解決之道

電源匯流排

在IC的電源引腳附近合理地安置適當(dāng)容量的電容，可使IC輸出電壓的跳變來(lái)得更快。然而，問(wèn)題并非到此為止。由于電容呈有限頻率響應(yīng)的特性，這使得電容無(wú)法在全頻帶上生成干凈地驅(qū)動(dòng)IC輸出所需要的諧波功率。除此之外，電源匯流排上形成的瞬態(tài)電壓在去耦路徑的電感兩端會(huì)形成電壓降，這些瞬態(tài)電壓就是主要的共模EMI干擾源。我們應(yīng)該怎么解決這些問(wèn)題?

就我們電路板上的IC而言，IC周?chē)碾娫磳涌梢钥闯墒莾?yōu)良的高頻電容器，它可以收集為干凈輸出提供高頻能量的分立電容器所泄漏的那部份能量。此外，優(yōu)良的電源層的電感要小，從而電感所合成的瞬態(tài)信號(hào)也小，進(jìn)而降低共模EMI。

當(dāng)然，電源層到IC電源引腳的連線(xiàn)必須盡可能短，因?yàn)閿?shù)位信號(hào)的上升沿越來(lái)越快，最好是直接連到IC電源引腳所在的焊盤(pán)上，這要另外討論。

為了控制共模EMI，電源層要有助于去耦和具有足夠低的電感，這個(gè)電源層必須是一個(gè)設(shè)計(jì)相當(dāng)好的電源層的配對(duì)。有人可能會(huì)問(wèn)，好到什么程度才算好?問(wèn)題的答案取決于電源的分層、層間的材料以及工作頻率(即IC上升時(shí)間的函數(shù))。通常，電源分層的間距是6mil，夾層是FR4材料，則每平方英寸電源層的等效電容約為75pF。顯然，層間距越小電容越大。

上升時(shí)間為100到300ps的器件并不多，但是按照目前IC的發(fā)展速度，上升時(shí)間在100到300ps范圍的器件將占有很高的比例。對(duì)于100到300ps上升時(shí)間的電路，3mil層間距對(duì)大多數(shù)應(yīng)用將不再適用。那時(shí)，有必要采用層間距小于1mil的分層技術(shù)，并用介電常數(shù)很高的材料代替FR4介電材料?，F(xiàn)在，陶瓷和加陶塑料可以滿(mǎn)足100到300ps上升時(shí)間電路的設(shè)計(jì)要求。

盡管未來(lái)可能會(huì)采用新材料和新方法，但對(duì)于今天常見(jiàn)的1到3ns上升時(shí)間電路、3到6mil層間距和FR4介電材料，通常足夠處理高端諧波并使瞬態(tài)信號(hào)足夠低，就是說(shuō)，共模EMI可以降得很低。本文給出的PCB分層堆疊設(shè)計(jì)實(shí)例將假定層間距為3到6mil。

電磁屏蔽

從信號(hào)走線(xiàn)來(lái)看，好的分層策略應(yīng)該是把所有的信號(hào)走線(xiàn)放在一層或若干層，這些層緊挨著電源層或接地層。對(duì)于電源，好的分層策略應(yīng)該是電源層與接地層相鄰，且電源層與接地層的距離盡可能小，這就是我們所講的“分層”策略。

PCB堆疊

什么樣的堆疊策略有助于屏蔽和抑制EMI?以下分層堆疊方案假定電源電流在單一層上流動(dòng)，單電壓或多電壓分布在同一層的不同部分。多電源層的情形稍后討論。

4層板

4層板設(shè)計(jì)存在若干潛在問(wèn)題。首先，傳統(tǒng)的厚度為62mil的四層板，即使信號(hào)層在外層，電源和接地層在內(nèi)層，電源層與接地層的間距仍然過(guò)大。

如果成本要求是第一位的，可以考慮以下兩種傳統(tǒng)4層板的替代方案。這兩個(gè)方案都能改善EMI抑制的性能，但只適用于板上元件密度足夠低和元件周?chē)凶銐蛎娣e(放置所要求的電源覆銅層)的場(chǎng)合。

第一種為首選方案，PCB的外層均為地層，中間兩層均為信號(hào)/電源層。信號(hào)層上的電源用寬線(xiàn)走線(xiàn)，這可使電源電流的路徑阻抗低，且信號(hào)微帶路徑的阻抗也低。從EMI控制的角度看，這是現(xiàn)有的最佳4層PCB結(jié)構(gòu)。第二種方案的外層走電源和地，中間兩層走信號(hào)。該方案相對(duì)傳統(tǒng)4層板來(lái)說(shuō)，改進(jìn)要小一些，層間阻抗和傳統(tǒng)的4層板一樣欠佳。

如果要控制走線(xiàn)阻抗，上述堆疊方案都要非常小心地將走線(xiàn)布置在電源和接地鋪銅島的下邊。另外，電源或地層上的鋪銅島之間應(yīng)盡可能地互連在一起，以確保DC和低頻的連接性。

6層板

如果4層板上的元件密度比較大，則最好采用6層板。但是，6層板設(shè)計(jì)中某些疊層方案對(duì)電磁場(chǎng)的屏蔽作用不夠好，對(duì)電源匯流排瞬態(tài)信號(hào)的降低作用甚微。下面討論兩個(gè)實(shí)例。

第一例將電源和地分別放在第2和第5層，由于電源覆銅阻抗高，對(duì)控制共模EMI輻射非常不利。不過(guò)，從信號(hào)的阻抗控制觀點(diǎn)來(lái)看，這一方法卻是非常正確的。

第二例將電源和地分別放在第3和第4層，這一設(shè)計(jì)解決了電源覆銅阻抗問(wèn)題，由于第1層和第6層的電磁屏蔽性能差，差模EMI增加了。如果兩個(gè)外層上的信號(hào)線(xiàn)數(shù)量最少，走線(xiàn)長(zhǎng)度很短(短于信號(hào)最高諧波波長(zhǎng)的1/20)，則這種設(shè)計(jì)可以解決差模EMI問(wèn)題。將外層上的無(wú)元件和無(wú)走線(xiàn)區(qū)域鋪銅填充并將覆銅區(qū)接地(每1/20波長(zhǎng)為間隔)，則對(duì)差模EMI的抑制特別好。如前所述，要將鋪銅區(qū)與內(nèi)部接地層多點(diǎn)相聯(lián)。

通用高性能6層板設(shè)計(jì)一般將第1和第6層布為地層，第3和第4層走電源和地。由于在電源層和接地層之間是兩層居中的雙微帶信號(hào)線(xiàn)層，因而EMI抑制能力是優(yōu)異的。該設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)在于走線(xiàn)層只有兩層。前面介紹過(guò)，如果外層走線(xiàn)短且在無(wú)走線(xiàn)區(qū)域鋪銅，則用傳統(tǒng)的6層板也可以實(shí)現(xiàn)相同的堆疊。

另一種6層板布局為信號(hào)、地、信號(hào)、電源、地、信號(hào)，這可實(shí)現(xiàn)高級(jí)信號(hào)完整性設(shè)計(jì)所需要的環(huán)境。信號(hào)層與接地層相鄰，電源層和接地層配對(duì)。顯然，不足之處是層的堆疊不平衡。

這通常會(huì)給加工制造帶來(lái)麻煩。解決問(wèn)題的辦法是將第3層所有的空白區(qū)域填銅，填銅后如果第3層的覆銅密度接近于電源層或接地層，這塊板可以不嚴(yán)格地算作是結(jié)構(gòu)平衡的電路板。填銅區(qū)必須接電源或接地。連接過(guò)孔之間的距離仍然是1/20波長(zhǎng)，不見(jiàn)得處處都要連接，但理想情況下應(yīng)該連接。

分頁(yè)

10層板

由于多層板之間的絕緣隔離層非常薄，所以10或12層的電路板層與層之間的阻抗非常低，只要分層和堆疊不出問(wèn)題，完全可望得到優(yōu)異的信號(hào)完整性。要按62mil厚度加工制造12層板，困難比較多，能夠加工12層板的制造商也不多。

由于信號(hào)層和回路層之間總是隔有絕緣層，在10層板設(shè)計(jì)中分配中間6層來(lái)走信號(hào)線(xiàn)的方案并非最佳。另外，讓信號(hào)層與回路層相鄰很重要，即板布局為信號(hào)、地、信號(hào)、信號(hào)、電源、地、信號(hào)、信號(hào)、地、信號(hào)。

這一設(shè)計(jì)為信號(hào)電流及其回路電流提供了良好的通路。恰當(dāng)?shù)牟季€(xiàn)策略是，第1層沿X方向走線(xiàn)，第3層沿Y方向走線(xiàn)，第4層沿X方向走線(xiàn)，以此類(lèi)推。直觀地看走線(xiàn)，第1層1和第3層是一對(duì)分層組合，第4層和第7層是一對(duì)分層組合，第8層和第10層是最后一對(duì)分層組合。當(dāng)需要改變走線(xiàn)方向時(shí)，第1層上的信號(hào)線(xiàn)應(yīng)藉由“過(guò)孔到第3層以后再改變方向。實(shí)際上，也許并不總能這樣做，但作為設(shè)計(jì)概念還是要盡量遵守。

同樣，當(dāng)信號(hào)的走線(xiàn)方向變化時(shí)，應(yīng)該藉由過(guò)孔從第8層和第10層或從第4層到第7層。這樣布線(xiàn)可確保信號(hào)的前向通路和回路之間的耦合最緊。例如，如果信號(hào)在第1層上走線(xiàn)，回路在第2層且只在第2層上走線(xiàn)，那么第1層上的信號(hào)即使是藉由“過(guò)孔轉(zhuǎn)到了第3層上，其回路仍在第2層，從而保持低電感、大電容的特性以及良好的電磁屏蔽性能。

如果實(shí)際走線(xiàn)不是這樣，怎么辦?比如第1層上的信號(hào)線(xiàn)經(jīng)由過(guò)孔到第10層，這時(shí)回路信號(hào)只好從第9層尋找接地平面，回路電流要找到最近的接地過(guò)孔(如電阻或電容等元件的接地引腳)。如果碰巧附近存在這樣的過(guò)孔，則真的走運(yùn)。假如沒(méi)有這樣近的過(guò)孔可用，電感就會(huì)變大，電容要減小，EMI一定會(huì)增加。

當(dāng)信號(hào)線(xiàn)必須經(jīng)由過(guò)孔離開(kāi)現(xiàn)在的一對(duì)布線(xiàn)層到其他布線(xiàn)層時(shí)，應(yīng)就近在過(guò)孔旁放置接地過(guò)孔，這樣可以使回路信號(hào)順利返回恰當(dāng)?shù)慕拥貙?。?duì)于第4層和第7層分層組合，信號(hào)回路將從電源層或接地層(即第5層或第6層)返回，因?yàn)殡娫磳雍徒拥貙又g的電容耦合良好，信號(hào)容易傳輸。

多電源層的設(shè)計(jì)

如果同一電壓源的兩個(gè)電源層需要輸出大電流，則電路板應(yīng)布成兩組電源層和接地層。在這種情況下，每對(duì)電源層和接地層之間都放置了絕緣層。這樣就得到我們期望的等分電流的兩對(duì)阻抗相等的電源匯流排。如果電源層的堆疊造成阻抗不相等，則分流就不均勻，瞬態(tài)電壓將大得多，并且EMI會(huì)急劇增加。

如果電路板上存在多個(gè)數(shù)值不同的電源電壓，則相應(yīng)地需要多個(gè)電源層，要牢記為不同的電源創(chuàng)建各自配對(duì)的電源層和接地層。在上述兩種情況下，確定配對(duì)電源層和接地層在電路板的位置時(shí)，切記制造商對(duì)平衡結(jié)構(gòu)的要求。

總結(jié)

鑒于大多數(shù)工程師設(shè)計(jì)的電路板是厚度62mil、不帶盲孔或埋孔的傳統(tǒng)印制電路板，本文關(guān)于電路板分層和堆疊的討論都局限于此。厚度差別太大的電路板，本文推薦的分層方案可能不理想。此外，帶盲孔或埋孔的電路板的加工制程不同，本文的分層方法也不適用。

電路板設(shè)計(jì)中厚度、過(guò)孔制程和電路板的層數(shù)不是解決問(wèn)題的關(guān)鍵，優(yōu)良的分層堆疊是保證電源匯流排的旁路和去耦、使電源層或接地層上的瞬態(tài)電壓最小并將信號(hào)和電源的電磁場(chǎng)屏蔽起來(lái)的關(guān)鍵。理想情況下，信號(hào)走線(xiàn)層與其回路接地層之間應(yīng)該有一個(gè)絕緣隔離層，配對(duì)的層間距(或一對(duì)以上)應(yīng)該越小越好。根據(jù)這些基本概念和原則，才能設(shè)計(jì)出總能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的電路板?，F(xiàn)在，IC的上升時(shí)間已經(jīng)很短并將更短，本文討論的技術(shù)對(duì)解決EMI屏蔽問(wèn)題是必不可少的。

作者簡(jiǎn)介

Rick Hartley 是高速通訊設(shè)備制造商Applied Innovation 公司的高級(jí)硬件工程師，他在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域有35年經(jīng)驗(yàn)，最近25年他專(zhuān)注于印刷電路板設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，過(guò)去10年他領(lǐng)導(dǎo)高速數(shù)位和RF電路板設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是EMI控制。