如何設計用于EMI的PCB基本疊層

本系列的第1部分描述了數字信號如何通過PC板傳播[參考文獻1]。 1,2,5,6]。在第2部分中，我們將研究特定的電路板設計，以實現(xiàn)低EMI。我在客戶的電路板設計中看到的最大問題是層疊不良。

重申第1部分中的兩個基本規(guī)則并實現(xiàn)數字信號電源（瞬態(tài)）是在電介質層中移動的電磁波，我們看到PC板設計有兩個非常重要的原則：

PC板上的每個信號和電源走線（或平面）都應該

傳輸線中的數字信號傳播實際上是銅跡線和GRP之間空間中電磁場的移動。

要構建傳輸線，你需要兩個相鄰的金屬片來捕獲或包含場地。例如，相鄰接地返回平面（GRP）上的微帶線或與GRP相鄰的帶狀線或與GRP相鄰的功率跡線（或平面）。例如，在電源和接地參考平面之間定位多個信號層將導致快速信號的真正EMI問題。觀察這兩個規(guī)則將決定層疊。

換句話說，每個信號或功率跟蹤（路由功率）必須具有相鄰的GRP，并且所有功率平面應具有相鄰的GRP。多個GRP應與拼接過孔矩陣連接在一起。在本文中，我們將研究幾種堆疊設計。

典型的六層設計（Altium）
我經常看到的一個疊加是這個六層設計（圖1）。這在20世紀90年代到21世紀初可能運行良好，但是今天的速度和混合信號技術要快得多，這是EMI災難的秘訣。這有兩個問題：底部的兩個信號層以電源平面為參考，電源和接地返回平面不相鄰且距離太遠。

圖1.一種非常常見但很差的EMI疊層設計（6層示例）。信號層4和6以功率為參考，而GRP和功率平面不相鄰，其間有兩個信號層。這將耦合這兩個信號層上的電源瞬變。

除少數例外（一些DDR RAM電源和信號（例如）電流想要返回其源，這些源以GRP為參考。將這些信號引用到電源平面是非常具有EMI風險的，因為沒有明確定義的返回路徑，除了通過平面到平面的電容，在這種情況下相對較小。此外，返回路徑中的這些間隙導致場泄漏到電路板介電層的其他區(qū)域。反過來，這會導致交叉耦合和輻射EMI。

當我們將功率和GRP分成兩個信號層時，會出現(xiàn)第二個問題。任何電網瞬變都將在介電層內交叉耦合，沿著路徑耦合到層3和4上的任何信號跡線。如果這些平面間隔超過3-4密耳，您也會失去任何平面到平面的電容效益。

以下是幾個想法適用于符合數字信號傳播傳輸線方面的PC板疊加。

四層板：設計1
良好的四層電路板堆疊，可提高EMI（圖2）。我們使用路由或傾倒功率以及第2層和第3層上的信號來代替電源平面。因此，每個信號/功率跡線與GRP相鄰。此外，只要兩個GRP通過拼接過孔矩陣連接在一起，就可以輕松地在所有層之間運行過孔。如果沿著周邊（例如，每隔5mm）運行一排縫合過孔，則會形成法拉第籠。

圖2.這種良好的四層電路板疊層可提高EMI，使信號和布線功率保持在接地參考平面附近。

四層板：設計2
另一方面，如果您更愿意訪問信號和路由/傾倒的電源線，您可以簡單地反轉層對，這樣兩個GRP層位于中間，兩個信號層位于中間在頂部和底部，具有布線功率和足夠的去耦電容，而不是電源平面（圖3）。

圖3.這種用于改善EMI的良好的四層電路板疊層將接地參考平面放置在電路板內。結果

對于這兩種設計，您希望運行一種縫合過孔圖案，將兩個GRP連接起來，最大距離為1厘米。

八層板（Altium）
四層和八層板設計（圖4）遵循保持良好傳輸線設計的兩個基本規(guī)則。此外，對于八層設計，功率和GRP平面現(xiàn)在相距4密耳，提供相當好的平面到平面電容。更接近甚至會更好。例如，1密耳至3密耳的間隔對于最小化EMI是理想的。所有GRP應與1 cm的過孔圖案拼接在一起。

圖4.良好的EMI疊層設計（8層示例）。所有信號層都參考相鄰的GRP，而功率也參考相鄰的GRP。

當然，在信號和GRP或功率和GRP之間創(chuàng)建正確的傳輸線對還有很多次迭代。

兩層電路板怎么樣？
簡單，只需在第1層運行信號和路由電源，并在第2層使用GRP。那么，這可能適用于昨天的技術。在今天的技術中，我們經常需要使用至少兩層來運行信號。答案是在兩條信號走線之間運行“三聯(lián)體”和接地回路（圖5）。這是恩智浦半導體高級應用工程師Daniel Beeker的一個想法[參考文獻5]。

圖5.信號路由三元組的示例，以及嘗試保留路由功率的傳輸線原理。禮貌：Daniel Beeker，恩智浦半導體

在這里，我們看到了保護路由功率的傳輸線特性。該示例還顯示了模擬信號跡線，它們之間具有接地返回跡線 - 路由“三重態(tài)”。由于在每個信號走線和返回走線之間充分捕獲電磁場，因此幾乎沒有場泄漏。

如果您愿意要了解更多有關在PC板上設計EMI合規(guī)性的信息，我還建議Rick Hartley作為他為期2天的研討會的優(yōu)秀來源（參考文獻6）。最后，我要感謝Ralph Morrison，Dan Beeker和Rick Hartley，他們真正教我電路板中的快速信號[參考文獻3,4,5,6]。

本系列的第3部分將討論電路部分的劃分，高速走線的布線以及一些其他布局實踐，以幫助降低EMI。