PCB板層設計與電磁兼容性研究

 在高速電路板設計過(guò)程中，電磁兼容性設計是一個(gè)重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。本文從層數設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;層設計 

電子產(chǎn)品很多可靠性和穩定性的問(wèn)題是有電磁兼容性設計不過(guò)關(guān)所導致的。常見(jiàn)的問(wèn)題有信號的失真，信號噪音過(guò)大，工作過(guò)程中信號不穩定，系統容易死機，系統易受環(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(shù)，設計到電磁學(xué)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。 

PCB板的層主要有電源層、地層和信號層，層數就是各個(gè)層數量的總和。在設計過(guò)程中，**步是對所有的源和地，以及各種信號進(jìn)行統籌和分類(lèi)，在分類(lèi)的基礎進(jìn)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(shí)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(jìn)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(guò)程中要在系統的電磁兼容性和成本之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。 
電源層的設計首先要考慮的是電源的類(lèi)型和數量。如果是只有一個(gè)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(gè)電源層對不同層的器件供電。如果是有多個(gè)電源，可以考慮設計多個(gè)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(méi)有交叉，如果有交叉，則必須設計多個(gè)電源層。 
信號層層數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(wèn)題。一般情況下是先用設計軟件進(jìn)行設計，然后根據具體細節進(jìn)行修改。信號密度和特殊信號的完整性都必須是層數設計必須考慮的問(wèn)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(jiǎn)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，比如高速數字電路或者模數混合電路，由于單面板沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的參考地線(xiàn)層，使得回路面積增大，輻射增強。由于缺乏有效的屏蔽，系統的抗干擾能力也降低。 

在確定完信號和層之后，各個(gè)層的布局也是需要科學(xué)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(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)鍵信號不能跨分割區。否則會(huì )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(xiàn)，如果信號線(xiàn)密度實(shí)在太大，可以考慮在電源層的邊緣走線(xiàn)。 
（5）在高速信號，試中信號，高頻信號等關(guān)鍵信號的下面設計地線(xiàn)層，這樣信號環(huán)路的路徑*短，輻射*小。 
（6）高速電路設計過(guò)程中必須考慮如何處理電源的輻射和對整個(gè)系統的干擾。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(xiàn)層應設計與整塊金屬平面相鄰。 
（3） 數字信號和模擬信號要有隔離設計，首先要避免數字信號和模擬信號在同一個(gè)層，如果避免不了，可以采用模擬信號和數字信號分區域布線(xiàn)，用開(kāi)槽等方式將模擬信號區和數字信號區隔離。對模擬電源和數字電源也一樣。尤其是數字電源，輻射非常大，一定要隔離并屏蔽。 
（4）在中間層的印制線(xiàn)條形成平面波導，在表面層形成微帶線(xiàn)，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(xiàn)時(shí)，不能同等看待。

 
通過(guò)層數設計和層的布局可以大大地提高PCB板的電磁兼容性。層數設計主要要考慮電源層和地線(xiàn)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(xiàn)及電源線(xiàn)布局、時(shí)鐘及高速信號布局、模擬信號與數字信息布局。