高速電路板設(shè)計(jì)技巧 PCB板層設(shè)計(jì)與電磁兼容性討論

在高速電路板設(shè)計(jì)過(guò)程中，電磁兼容性設(shè)計(jì)是一個(gè)重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。本文從層數(shù)設(shè)計(jì)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(dǎo)耦合與輻射耦合所引起的電磁干擾，提高電磁兼容性。

緒論

電子產(chǎn)品很多可靠性和穩(wěn)定性的問(wèn)題是有電磁兼容性設(shè)計(jì)不過(guò)關(guān)所導(dǎo)致的。常見(jiàn)的問(wèn)題有信號(hào)的失真，信號(hào)噪音過(guò)大，工作過(guò)程中信號(hào)不穩(wěn)定，系統(tǒng)容易死機(jī)，系統(tǒng)易受環(huán)境干擾，抗干擾能力差等。電磁兼容性設(shè)計(jì)是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的技術(shù)，設(shè)計(jì)到電磁學(xué)等方面的知識(shí)。本文從層設(shè)計(jì)和層布局方面論述一些經(jīng)驗(yàn)性的技巧，給電子工程師提供一些參考。

層數(shù)的配置

PCB板的層主要有電源層、地層和信號(hào)層，層數(shù)就是各個(gè)層數(shù)量的總和。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，第一步是對(duì)所有的源和地，以及各種信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)籌和分類，在分類的基礎(chǔ)進(jìn)行部署和設(shè)計(jì)。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(yīng)的地平面。各種特殊信號(hào)，如時(shí)鐘高、頻信號(hào)等需要單獨(dú)設(shè)計(jì)層，而且需要增加地平面，對(duì)特殊信號(hào)進(jìn)行屏蔽，以提高電磁兼容性。當(dāng)然成本也是要考慮的因素之一，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要在系統(tǒng)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(shè)計(jì)首先要考慮的是電源的類型和數(shù)量。如果是只有一個(gè)電源供電，可以考慮單一電源層。在對(duì)電源要求高的情況下也可以有多個(gè)電源層對(duì)不同層的器件供電。如果是有多個(gè)電源，可以考慮設(shè)計(jì)多個(gè)電源層，也可以在同一電源層對(duì)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(shè)計(jì)多個(gè)電源層。
信號(hào)層層數(shù)的設(shè)計(jì)要考慮到所有信號(hào)的特性。特殊信號(hào)的分層，屏蔽是要有限考慮的問(wèn)題。一般情況下是先用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后根據(jù)具體細(xì)節(jié)進(jìn)行修改。信號(hào)密度和特殊信號(hào)的完整性都必須是層數(shù)設(shè)計(jì)必須考慮的問(wèn)題。對(duì)于特殊信息，在必要的情況下一定要設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)單面板或雙面板。因?yàn)閱蚊姘搴碗p面板雖然加工簡(jiǎn)單成本低，但是在信號(hào)密度比較高和信號(hào)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的情況下，比如高速數(shù)字電路或者模數(shù)混合電路，由于單面板沒(méi)有專門的參考地線層，使得回路面積增大，輻射增強(qiáng)。由于缺乏有效的屏蔽，系統(tǒng)的抗干擾能力也降低。

PCB板層的布局設(shè)計(jì)

在確定完信號(hào)和層之后，各個(gè)層的布局也是需要科學(xué)設(shè)計(jì)的。

PCB板設(shè)計(jì)中層的布局設(shè)計(jì)遵循如下原則：

（1）將電源層平面與相應(yīng)的地平面相鄰。這樣設(shè)計(jì)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(hào)不能跨分割區(qū)。否則會(huì)形成較大的信號(hào)環(huán)路，產(chǎn)生較強(qiáng)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，如果信號(hào)線密度實(shí)在太大，可以考慮在電源層的邊緣走線。
（5）在高速信號(hào)，試中信號(hào)，高頻信號(hào)等關(guān)鍵信號(hào)的下面設(shè)計(jì)地線層，這樣信號(hào)環(huán)路的路徑最短，輻射最小。
（6）高速電路設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮如何處理電源的輻射和對(duì)整個(gè)系統(tǒng)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(duì)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(shè)計(jì)中要遵循的一般原則：

（1）電源層平面應(yīng)靠近接地平面，并且設(shè)計(jì)在接地平面之下。
（2）布線層應(yīng)設(shè)計(jì)與整塊金屬平面相鄰。
（3） 數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)要有隔離設(shè)計(jì)，首先要避免數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)在同一個(gè)層，如果避免不了，可以采用模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)分區(qū)域布線，用開(kāi)槽等方式將模擬信號(hào)區(qū)和數(shù)字信號(hào)區(qū)隔離。對(duì)模擬電源和數(shù)字電源也一樣。尤其是數(shù)字電源，輻射非常大，一定要隔離并屏蔽。
（4）在中間層的印制線條形成平面波導(dǎo)，在表面層形成微帶線，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(dú)安排、遠(yuǎn)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，布線時(shí)，不能同等看待。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)層數(shù)設(shè)計(jì)和層的布局可以大大地提高PCB板的電磁兼容性。層數(shù)設(shè)計(jì)主要要考慮電源層和地線層、高頻信號(hào)、特殊信號(hào)、敏感信號(hào)。層的布局主要要考慮各種耦合、地線及電源線布局、時(shí)鐘及高速信號(hào)布局、模擬信號(hào)與數(shù)字信息布局。