如何解決多層PCB設(shè)計(jì)時(shí)的EMI

　　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，從信號(hào)的阻抗控制觀點(diǎn)來看，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 數(shù)量最少，走線長(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問題。將外層上的無元件和無走線區(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) 在于走線層只有兩層。前面介紹過，如果外層走線短且在無走線區(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)給加工制造帶來麻煩。解決問題的辦法是將第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。連接過孔之間的距離仍然是1/20波長(zhǎng)，不見得處處都要連接，但理想情況下應(yīng)該連接。

　　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層來走信號(hào)線的方案并非最佳。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€策略是，第1層沿X方向走線，第3層沿Y方向走線，第4層沿X方向走線，以此類推。直觀地看走 線，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)需要改變走線方向時(shí)，第1層上的信號(hào)線應(yīng)藉 由”過孔"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)的走線方向變 化時(shí)，應(yīng)該藉由過孔從第8層和第10層或從第4層到第7層。這樣布線可確保信號(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，回路在第 2層且只在第2層上走線，那么第1層上的信號(hào)即使是藉由“過孔”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)際走線不是這樣，怎么辦?比如第1層上的信號(hào)線經(jīng)由過孔到第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孔，則真的走運(yùn)。假如沒有這樣近的過孔可用，電感就會(huì)變大，電容要 減小，EMI一定會(huì)增加。

　　當(dāng)信號(hào)線必須經(jīng)由過孔離開現(xiàn)在的一對(duì)布線層到其他布線層時(shí)，應(yīng)就近在過孔旁放置接地過孔，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、過孔制程和電路板的層數(shù)不是解決問題的關(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)屏蔽起來的關(guān)鍵。理想情況下，信號(hào)走線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。現(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屏蔽問題是必不可少的。