PCB設(shè)計(jì)：使輻射最小化的布線策略

對(duì)于內(nèi)部帶狀線層（圖1），通過(guò)由平面之間的信號(hào)走線引導(dǎo)的多層PCB介質(zhì)材料進(jìn)行電磁（EM）能量傳播，但它在外部微帶層上的行為略有不同。微帶層通常在一側(cè)有完整接地平面，且允許輻射從無(wú)邊無(wú)際的表面進(jìn)入空氣中。經(jīng)過(guò)深思熟慮的布線策略可以避免高達(dá)10 dB的基板輻射。在平面之間嵌入信號(hào)可以降低對(duì)輻射的敏感性，并可提供靜電放電保護(hù)。因此，不僅可以防止噪聲輻射，還可以降低受到外部信號(hào)源影響的可能性。

圖1:微帶電磁場(chǎng)(頂部)和帶狀線電磁場(chǎng)(底部)

Hewlett-Packard進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，與位于外層PCB中心的走線相比，位于PCB邊緣走線的輻射要高20 dB。

然而，對(duì)埋嵌走線進(jìn)行的相同測(cè)試表明，走線靠近PCB邊緣時(shí)，輻射沒(méi)有變化。這意味著在外部微帶層布線時(shí)，最好遠(yuǎn)離PCB邊緣。阻抗隨著走線下方參考面面積的減小而變化。

在多層PCB上，為了減少輻射，關(guān)鍵信號(hào)應(yīng)該布線在與實(shí)心參考面相鄰的帶狀線層上。信號(hào)走線和返回平面之間的間距應(yīng)盡可能小，以增加耦合并減少回路面積。

圖2：微帶線和帶狀線的相對(duì)信號(hào)傳播（在iCD Design Integrity中模擬）

要牢記3個(gè)約束條件：

保持波形的信號(hào)與空號(hào)脈沖之比相等，因?yàn)檫@樣可以消除所有偶數(shù)諧波。

在平面之間布線高速信號(hào)，在靠近下降到內(nèi)層的驅(qū)動(dòng)端（200mil）扇出，然后用短扇出再次布線回到負(fù)載端。

對(duì)返回信號(hào)使用相同的參考面（如果可能，使用GND），這樣可減少回路面積，從而減少輻射。

微帶線周圍的電場(chǎng)一部分存在于介質(zhì)材料中，一部分存在于周圍空氣中。由于空氣的介電常數(shù)（Dk）為1，與帶狀線相比，它將加快信號(hào)傳播速度。即使調(diào)整每層上的走線寬度，以便阻抗相同，微帶線的傳播速度總是會(huì)比帶狀線快13%~17%。數(shù)字信號(hào)的傳播速度與走線幾何形狀及阻抗無(wú)關(guān)。

如果了解這個(gè)問(wèn)題，為了補(bǔ)償變化的走線延遲，就可以匹配飛行時(shí)間（如圖2所示），以便在標(biāo)稱溫度下，微帶或帶狀線上運(yùn)行的所有信號(hào)可同時(shí)到達(dá)接收端?；蛘?，目前許多布線器都有匹配延遲布線功能，使設(shè)計(jì)師能夠考慮微帶線和帶狀線結(jié)構(gòu)之間的飛行時(shí)間變化。注意，匹配延遲與不考慮飛行時(shí)間的匹配長(zhǎng)度布線有很大不同。

例如，對(duì)于DDR3/4 Fly-by拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最好在兩個(gè)對(duì)稱的成對(duì)層上布線所有關(guān)鍵走線。在本文的案例中，成對(duì)層是第1層和第12層、第4層和第9層，再加上第6層和第7層。第4層和第9層是最好的成對(duì)層，因?yàn)樗鼈兦度氩⒖拷?2層PCB的平面對(duì)和有源器件。從微帶層到這些層（未顯示）有200 mil扇出。這兩層具有相同的延遲319.50 ps，并且在平面之間嵌入的堆疊對(duì)稱。

圖3顯示了數(shù)據(jù)通道（0—3）的布線方向與相關(guān)的差分選通信號(hào)相結(jié)合以及與差分時(shí)鐘相結(jié)合的地址、控制和命令（address, control and command，簡(jiǎn)稱ACC）信號(hào)。不需要擔(dān)心層引起的飛行時(shí)間偏差，因?yàn)榈?層和第9層是相同的。

圖3:DDR3 Fly-by拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的布線策略

圖4顯示了外層和內(nèi)層之間的相對(duì)輻射。在該案例中，在第4層內(nèi)層布線的走線比在頂層布線的走線噪聲低4~10 dB。注意，頂層布線上存在40 dB以上的輻射諧波。此外，高頻元件更容易輻射，因?yàn)樗鼈兊牟ㄩL(zhǎng)較短，與用作天線的走線長(zhǎng)度相當(dāng)。因此，盡管諧波頻率分量的振幅減小，但隨著頻率的增加，輻射頻率會(huì)隨著走線特性而變化。

圖4：頂部微帶層與內(nèi)部帶狀線層布線信號(hào)的輻射對(duì)比

因此，除了較短的200 mil微帶扇出外，這種設(shè)計(jì)的發(fā)射遠(yuǎn)低于FCC/CISPR B級(jí)限制（較低的紅線）。然而，如果在外層布線，在6.76 GHz時(shí)輻射將為49.73 dB，在7.8 GHz時(shí)為52.10dB，可能無(wú)法通過(guò)測(cè)試。如果在開始布局之前規(guī)劃布線策略和堆疊設(shè)計(jì)，那么電磁兼容性設(shè)計(jì)只需要很少的額外工作。

要點(diǎn)

在平面之間嵌入信號(hào)可減少這些發(fā)射和輻射敏感性，并可提供靜電放電保護(hù)。

在外部微帶層布線時(shí)，最好遠(yuǎn)離PCB邊緣。

在多層PCB上，關(guān)鍵信號(hào)應(yīng)在與實(shí)心參考面相鄰的帶狀線層上布線，以減少輻射。

微帶線的傳播速度總是比帶狀線的傳播速度快13%~17%。

目前，許多布線器都有匹配延遲的布線功能，使設(shè)計(jì)師能夠考慮到飛行時(shí)間的變化。

在第4層內(nèi)層上布線的走線比在頂層布線的走線噪聲小4~10 dB。

審核編輯 ：李倩