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多層板PCB設計時(shí)的EMI解決
日期：2024-06-25 08:44
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摘要： 解決EMI問(wèn)題的辦法很多，現代的EMI抑制方法包括：利用EMI抑制涂層、選用合適的EMI抑制零配件和EMI仿真設計等。本文從*基本的PCB布板出發(fā)，討論PCB分層堆疊在控制EMI輻射中的作用和設計技巧。
電源匯流排
在IC的電源引腳附近合理地安置適當容量的電容，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。由於電容呈有限頻率響應的特性，這使得電容 無(wú)法在全頻帶上生成干凈地驅動(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...
解決EMI問(wèn)題的辦法很多，現代的EMI抑制方法包括：利用EMI抑制涂層、選用合適的EMI抑制零配件和EMI仿真設計等。本文從*基本的PCB布板出發(fā)，討論PCB分層堆疊在控制EMI輻射中的作用和設計技巧。
電源匯流排
在IC的電源引腳附近合理地安置適當容量的電容，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。由於電容呈有限頻率響應的特性，這使得電容 無(wú)法在全頻帶上生成干凈地驅動(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。我們應該怎麼解決這些問(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)信號也小，進(jìn)而降低共模EMI。
當然，電源層到IC電源引腳的連線(xiàn)必須盡可能短，因為數位信號的上升沿越來(lái)越快，*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，電源層要有助於去耦和具有足夠低的電感，這個(gè)電源層必須是一個(gè)設計相當好的電源層的配對。有人可能會(huì )問(wèn)，好到什麼程度才算好?問(wèn)題 的答案取決於電源的分層、層間的材料以及工作頻率(即IC上升時(shí)間的函數)。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。對於100到 300ps上升時(shí)間的電路，3mil層間距對大多數應用將不再適用。那時(shí)，有必要采用層間距小於1mil的分層技術(shù)，并用介電常數很高的材料代替FR4介 電材料?，F在，陶瓷和加陶塑料可以滿(mǎn)足100到300ps上升時(shí)間電路的設計要求。
盡管未來(lái)可能會(huì )采用新材料和新方法，但對於今天常見(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**諧波并使瞬態(tài)信號足夠低，就是說(shuō)，共模EMI可以降得很低。本文給出的PCB分層堆疊設計實(shí)例將假定層間距為3到6mil。
電磁屏蔽
從信號走線(xiàn)來(lái)看，好的分層策略應該是把所有的信號走線(xiàn)放在一層或若干層，這些層緊挨著(zhù)電源層或接地層。對於電源，好的分層策略應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
什麼樣的堆疊策略有助於屏蔽和抑制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份。多電源層的情形稍後討論。
4層板
4層板設計存在若干潛在問(wèn)題。首先，傳統的厚度為62mil的四層板，即使信號層在外層，電源和接地層在內層，電源層與接地層的間距仍然過(guò)大。
如果成本要****位的，可以考慮以下兩種傳統4層板的替代方案。這兩個(gè)方案都能改善EMI抑制的性能，但只適用於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。
**種為優(yōu)選方案，PCB的外層均為地層，中間兩層均為信號/電源層。信號層上的電源用寬線(xiàn)走線(xiàn)，這可使電源電流的路徑阻抗低，且信號微帶路徑的阻抗也 低。從EMI控制的角度看，這是現有的*佳4層PCB結構。**種方案的外層走電源和地，中間兩層走信號。該方案相對傳統4層板來(lái)說(shuō)，改進(jìn)要小一些，層間 阻抗和傳統的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*好采用6層板。但是，6層板設計中某些疊層方案對電磁場(chǎng)的屏蔽作用不夠好，對電源匯流排瞬態(tài)信號的降低作用甚微。下面討論兩個(gè)實(shí)例。
**例將電源和地分別放在第2和第5層，由於電源覆銅阻抗高，對控制共模EMI輻射非常不利。不過(guò)，從信號的阻抗控制觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，這一方法卻是非常正確的。
**例將電源和地分別放在第3和第4層，這一設計解決了電源覆銅阻抗問(wèn)題，由於第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 層上的信號線(xiàn)數量*少，走線(xiàn)長(cháng)度很短(短於信號*高諧波波長(cháng)的1/20)，則這種設計可以解決差模EMI問(wèn)題。將外層上的無(wú)元件和無(wú)走線(xiàn)區域鋪銅填充并將 覆銅區接地(每1/20波長(cháng)為間隔)，則對差模EMI的抑制特別好。如前所述，要將鋪銅區與內部接地層多點(diǎn)相聯(lián)。
通用高性能6層板設計 一般將第1和第6層布為地層，第3和第4層走電源和地。由於在電源層和接地層之間是兩層居中的雙微帶信號線(xiàn)層，因而EMI抑制能力是優(yōu)異的。該設計的缺點(diǎn) 在於走線(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)區域鋪銅，則用傳統的6層板也可以實(shí)現相同的堆疊。
另一種6層板布局為信號、地、信號、電源、地、信號，這可實(shí)現**信號完整性設計所需要的環(huán)境。信號層與接地層相鄰，電源層和接地層配對。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層所有的空白區域填銅，填銅後如果第3層的覆銅密度接近於電源層或接地層，這塊板可以不嚴格地算作 是結構平衡的電路板。填銅區必須接電源或接地。連接過(guò)孔之間的距離仍然是1/20波長(cháng)，不見(jiàn)得處處都要連接，但理想情況下應該連接。
10層板
由於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。
由於信號層和回路層之間總是隔有絕緣層，在10層板設計中分配中間6層來(lái)走信號線(xiàn)的方案并非*佳。另外，讓信號層與回路層相鄰很重要，即板布局為信號、地、信號、信號、電源、地、信號、信號、地、信號。
這一設計為信號電流及其回路電流提供了良好的通路。恰當的布線(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(guān)地 看走線(xiàn)，第1層1和第3層是一對分層組合，第4層和第7層是一對分層組合，第8層和第10層是*後一對分層組合。當需要改變走線(xiàn)方向時(shí)，第1層上的信號線(xiàn) 應藉由“過(guò)孔"到第3層以後再改變方向。實(shí)際上，也許并不總能這樣做，但作為設計概念還是要盡量遵守。
同樣，當信號的走線(xiàn)方向變化時(shí)， 應該藉由過(guò)孔從第8層和第10層或從第4層到第7層。這樣布線(xiàn)可確保信號的前向通路和回路之間的耦合*緊。例如，如果信號在第1層上走線(xiàn)，回路在第2層且 只在第2層上走線(xiàn)，那麼第1層上的信號即使是藉由“過(guò)孔"轉到了第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，怎麼辦?比如第1層上的信號線(xiàn)經(jīng)由過(guò)孔到第10層，這時(shí)回路信號只好從第9層尋找接地平面，回路電流要找到*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。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。
當信號線(xiàn)必須經(jīng)由過(guò)孔離開(kāi)現在的一對布線(xiàn)層到其他布線(xiàn)層時(shí)，應就近在過(guò)孔旁放置接地過(guò)孔，這樣可以使回路信號順利返回恰當的接地層。對於第4層和第7層 分層組合，信號回路將從電源層或接地層(即第5層或第6層)返回，因為電源層和接地層之間的電容耦合良好，信號容易傳輸。
多電源層的設計
如果同一電壓源的兩個(gè)電源層需要輸出大電流，則電路板應布成兩組電源層和接地層。在這種情況下，每對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)數值不同的電源電壓，則相應地需要多個(gè)電源層，要牢記為不同的電源創(chuàng )建各自配對的電源層和接地層。在上述兩種情況下，確定配對電源層和接地層在電路板的位置時(shí)，切記制造商對平衡結構的要求。
總結
鑒於大多數工程師設計的電路板是厚度62mil、不帶盲孔或埋孔的傳統印制電路板，本文關(guān)於電路板分層和堆疊的討論都局限於此。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。
電路板設計中厚度、過(guò)孔制程和電路板的層數不是解決問(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*小并將信 號和電源的電磁場(chǎng)屏蔽起來(lái)的關(guān)鍵。理想情況下，信號走線(xiàn)層與其回路接地層之間應該有一個(gè)絕緣隔離層，配對的層間距(或一對以上)應該越小越好。根據這些基 本概念和原則，才能設計出總能達到設計要求的電路板?，F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)對解決EMI屏蔽問(wèn)題是必不可少的。
電源匯流排
在IC的電源引腳附近合理地安置適當容量的電容，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。由於電容呈有限頻率響應的特性，這使得電容 無(wú)法在全頻帶上生成干凈地驅動(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。我們應該怎麼解決這些問(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)信號也小，進(jìn)而降低共模EMI。
當然，電源層到IC電源引腳的連線(xiàn)必須盡可能短，因為數位信號的上升沿越來(lái)越快，*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，電源層要有助於去耦和具有足夠低的電感，這個(gè)電源層必須是一個(gè)設計相當好的電源層的配對。有人可能會(huì )問(wèn)，好到什麼程度才算好?問(wèn)題 的答案取決於電源的分層、層間的材料以及工作頻率(即IC上升時(shí)間的函數)。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。對於100到 300ps上升時(shí)間的電路，3mil層間距對大多數應用將不再適用。那時(shí)，有必要采用層間距小於1mil的分層技術(shù)，并用介電常數很高的材料代替FR4介 電材料?，F在，陶瓷和加陶塑料可以滿(mǎn)足100到300ps上升時(shí)間電路的設計要求。
盡管未來(lái)可能會(huì )采用新材料和新方法，但對於今天常見(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**諧波并使瞬態(tài)信號足夠低，就是說(shuō)，共模EMI可以降得很低。本文給出的PCB分層堆疊設計實(shí)例將假定層間距為3到6mil。
電磁屏蔽
從信號走線(xiàn)來(lái)看，好的分層策略應該是把所有的信號走線(xiàn)放在一層或若干層，這些層緊挨著(zhù)電源層或接地層。對於電源，好的分層策略應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
什麼樣的堆疊策略有助於屏蔽和抑制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份。多電源層的情形稍後討論。
4層板
4層板設計存在若干潛在問(wèn)題。首先，傳統的厚度為62mil的四層板，即使信號層在外層，電源和接地層在內層，電源層與接地層的間距仍然過(guò)大。
如果成本要****位的，可以考慮以下兩種傳統4層板的替代方案。這兩個(gè)方案都能改善EMI抑制的性能，但只適用於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。
**種為優(yōu)選方案，PCB的外層均為地層，中間兩層均為信號/電源層。信號層上的電源用寬線(xiàn)走線(xiàn)，這可使電源電流的路徑阻抗低，且信號微帶路徑的阻抗也 低。從EMI控制的角度看，這是現有的*佳4層PCB結構。**種方案的外層走電源和地，中間兩層走信號。該方案相對傳統4層板來(lái)說(shuō)，改進(jìn)要小一些，層間 阻抗和傳統的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*好采用6層板。但是，6層板設計中某些疊層方案對電磁場(chǎng)的屏蔽作用不夠好，對電源匯流排瞬態(tài)信號的降低作用甚微。下面討論兩個(gè)實(shí)例。
**例將電源和地分別放在第2和第5層，由於電源覆銅阻抗高，對控制共模EMI輻射非常不利。不過(guò)，從信號的阻抗控制觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，這一方法卻是非常正確的。
**例將電源和地分別放在第3和第4層，這一設計解決了電源覆銅阻抗問(wèn)題，由於第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 層上的信號線(xiàn)數量*少，走線(xiàn)長(cháng)度很短(短於信號*高諧波波長(cháng)的1/20)，則這種設計可以解決差模EMI問(wèn)題。將外層上的無(wú)元件和無(wú)走線(xiàn)區域鋪銅填充并將 覆銅區接地(每1/20波長(cháng)為間隔)，則對差模EMI的抑制特別好。如前所述，要將鋪銅區與內部接地層多點(diǎn)相聯(lián)。
通用高性能6層板設計 一般將第1和第6層布為地層，第3和第4層走電源和地。由於在電源層和接地層之間是兩層居中的雙微帶信號線(xiàn)層，因而EMI抑制能力是優(yōu)異的。該設計的缺點(diǎn) 在於走線(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)區域鋪銅，則用傳統的6層板也可以實(shí)現相同的堆疊。
另一種6層板布局為信號、地、信號、電源、地、信號，這可實(shí)現**信號完整性設計所需要的環(huán)境。信號層與接地層相鄰，電源層和接地層配對。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層所有的空白區域填銅，填銅後如果第3層的覆銅密度接近於電源層或接地層，這塊板可以不嚴格地算作 是結構平衡的電路板。填銅區必須接電源或接地。連接過(guò)孔之間的距離仍然是1/20波長(cháng)，不見(jiàn)得處處都要連接，但理想情況下應該連接。
10層板
由於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。
由於信號層和回路層之間總是隔有絕緣層，在10層板設計中分配中間6層來(lái)走信號線(xiàn)的方案并非*佳。另外，讓信號層與回路層相鄰很重要，即板布局為信號、地、信號、信號、電源、地、信號、信號、地、信號。
這一設計為信號電流及其回路電流提供了良好的通路。恰當的布線(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(guān)地 看走線(xiàn)，第1層1和第3層是一對分層組合，第4層和第7層是一對分層組合，第8層和第10層是*後一對分層組合。當需要改變走線(xiàn)方向時(shí)，第1層上的信號線(xiàn) 應藉由“過(guò)孔"到第3層以後再改變方向。實(shí)際上，也許并不總能這樣做，但作為設計概念還是要盡量遵守。
同樣，當信號的走線(xiàn)方向變化時(shí)， 應該藉由過(guò)孔從第8層和第10層或從第4層到第7層。這樣布線(xiàn)可確保信號的前向通路和回路之間的耦合*緊。例如，如果信號在第1層上走線(xiàn)，回路在第2層且 只在第2層上走線(xiàn)，那麼第1層上的信號即使是藉由“過(guò)孔"轉到了第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，怎麼辦?比如第1層上的信號線(xiàn)經(jīng)由過(guò)孔到第10層，這時(shí)回路信號只好從第9層尋找接地平面，回路電流要找到*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。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。
當信號線(xiàn)必須經(jīng)由過(guò)孔離開(kāi)現在的一對布線(xiàn)層到其他布線(xiàn)層時(shí)，應就近在過(guò)孔旁放置接地過(guò)孔，這樣可以使回路信號順利返回恰當的接地層。對於第4層和第7層 分層組合，信號回路將從電源層或接地層(即第5層或第6層)返回，因為電源層和接地層之間的電容耦合良好，信號容易傳輸。
多電源層的設計
如果同一電壓源的兩個(gè)電源層需要輸出大電流，則電路板應布成兩組電源層和接地層。在這種情況下，每對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)數值不同的電源電壓，則相應地需要多個(gè)電源層，要牢記為不同的電源創(chuàng )建各自配對的電源層和接地層。在上述兩種情況下，確定配對電源層和接地層在電路板的位置時(shí)，切記制造商對平衡結構的要求。
總結
鑒於大多數工程師設計的電路板是厚度62mil、不帶盲孔或埋孔的傳統印制電路板，本文關(guān)於電路板分層和堆疊的討論都局限於此。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。
電路板設計中厚度、過(guò)孔制程和電路板的層數不是解決問(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*小并將信 號和電源的電磁場(chǎng)屏蔽起來(lái)的關(guān)鍵。理想情況下，信號走線(xiàn)層與其回路接地層之間應該有一個(gè)絕緣隔離層，配對的層間距(或一對以上)應該越小越好。根據這些基 本概念和原則，才能設計出總能達到設計要求的電路板?，F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)對解決EMI屏蔽問(wèn)題是必不可少的。
