從分層、布局及布線三方面，詳解EMC的PCB設(shè)計(jì)技術(shù)

除了元器件的選擇和電路設(shè)計(jì)之外，良好的印制電路板（PCB）設(shè)計(jì)在電磁兼容性中也是一個非常重要的因素。

PCB EMC 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是盡可能減小回流面積，讓回流路徑按照設(shè)計(jì)的方向流動。最常見返回電流問題來自于參考平面的裂縫、變換參考平面層、以及流經(jīng)連接器的信號。

跨接電容器或是去耦合電容器可能可以解決一些問題，但是必需要考慮到電容器、過孔、焊盤以及布線的總體阻抗。

文章將從 PCB 的分層策略、布局技巧和布線規(guī)則三個方面，介紹 EMC 的 PCB 設(shè)計(jì)技術(shù)。

01

PCB分層策略

電路板設(shè)計(jì)中厚度、過孔制程和電路板的層數(shù)不是解決問題的關(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)電壓最小并將信號和電源的電磁場屏蔽起來的關(guān)鍵。

從信號走線來看，好的分層策略應(yīng)該是把所有的信號走線放在一層或若干層，這些層緊挨著電源層或接地層。對於電源，好的分層策略應(yīng)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。下面我們將具體談?wù)剝?yōu)良的 PCB 分層策略。

1、布線層的投影平面應(yīng)該在其回流平面層區(qū)域內(nèi)。布線層如果不在其回流平面層地投影區(qū)域內(nèi)，在布線時將會有信號線在投影區(qū)域外，導(dǎo)致“邊緣輻射”問題，并且還會導(dǎo)致信號回路面積地增大，導(dǎo)致差模輻射增大。

2、盡量避免布線層相鄰的設(shè)置。因?yàn)橄噜彶季€層上的平行信號走線會導(dǎo)致信號串?dāng)_，所以如果無法避免布線層相鄰，應(yīng)該適當(dāng)拉大兩布線層之間的層間距，縮小布線層與其信號回路之間的層間距。

3、相鄰平面層應(yīng)避免其投影平面重疊。因?yàn)橥队爸丿B時，層與層之間的耦合電容會導(dǎo)致各層之間的噪聲互相耦合。

02

多層板設(shè)計(jì)

時鐘頻率超過 5MHz，或信號上升時間小于 5ns 時，為了使信號回路面積能夠得到很好的控制，一般需要使用多層板設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)多層板時應(yīng)注意如下幾點(diǎn)原則：

1、關(guān)鍵布線層（時鐘線、總線、接口信號線、射頻線、復(fù)位信號線、片選信號線以及各種控制信號線等所在層）應(yīng)與完整地平面相鄰，優(yōu)選兩地平面之間，如圖 1 所示。

關(guān)鍵信號線一般都是強(qiáng)輻射或極其敏感的信號線，靠近地平面布線能夠使其信號回路面積減小，減小其輻射強(qiáng)度或提高抗干擾能力。

圖 1 關(guān)鍵布線層在兩地平面之間 2、電源平面應(yīng)相對于其相鄰地平面內(nèi)縮（建議值 5H～20H）。電源平面相對于其回流地平面內(nèi)縮可以有效抑制“邊緣輻射”問題，如圖 2 所示。

圖 2 電源平面應(yīng)相對于其相鄰地平面內(nèi)縮

此外，單板主工作電源平面（使用最廣泛的電源平面）應(yīng)與其地平面緊鄰，以有效地減小電源電流的回路面積，如圖 3 所示。

圖 3 電源平面應(yīng)與其地平面緊鄰

3、單板 TOP、BOTTOM 層是否無≥50MHz 的信號線。如有，最好將高頻信號走在兩個平面層之間，以抑制其對空間的輻射。

03

單層板和雙層板設(shè)計(jì)

對于單層板和雙層板的設(shè)計(jì)，主要應(yīng)注意關(guān)鍵信號線和電源線的設(shè)計(jì)。電源走線附近必須有地線與其緊鄰、平行走線，以減小電源電流回路面積。

單層板的關(guān)鍵信號線兩側(cè)應(yīng)該布“Guide Ground Line”，如圖 4 所示。雙層板的關(guān)鍵信號線地投影平面上應(yīng)有大面積鋪地，或者同單層板地處理辦法，設(shè)計(jì)“Guide Ground Line”，如圖 5 所示。關(guān)鍵信號線兩側(cè)地“保衛(wèi)地線”一方面可以減小信號回路面積，另外，還可以防止信號線與其他信號線之間地串?dāng)_。

圖 4 單層板的關(guān)鍵信號線兩側(cè)布“Guide Ground Line”

圖 5 雙層板的關(guān)鍵信號線地投影平面上大面積鋪地

總的來說，PCB 板的分層可以依據(jù)下表來設(shè)計(jì)。

04

PCB布局技巧

PCB 布局設(shè)計(jì)時，應(yīng)充分遵守沿信號流向直線放置的設(shè)計(jì)原則，盡量避免來回環(huán)繞，如圖 6 所示。這樣可以避免信號直接耦合，影響信號質(zhì)量。

此外，為了防止電路之間、電子元器件之間的互相干擾和耦合，電路的放置和元器件的布局應(yīng)遵從如下原則：

圖 6 電路模塊沿信號流向直線放置

1、單板上如果設(shè)計(jì)了接口“干凈地”，則濾波、隔離器件應(yīng)放置在“干凈地”和工作地之間的隔離帶上。這樣可以避免濾波或隔離器件通過平面層互相耦合，削弱效果。此外，“干凈地”上，除了濾波和防護(hù)器件之外，不能放置任何其他器件。

2、多種模塊電路在同一 PCB 上放置時，數(shù)字電路與模擬電路、高速與低速電路應(yīng)分開布局，以避免數(shù)字電路、模擬電路、高速電路以及低速電路之間的互相干擾。另外，當(dāng)線路板上同時存在高、中、低速電路時，為了避免高頻電路噪聲通過接口向外輻射，應(yīng)該遵從圖 7 中的布局原則。

圖 7 高、中、低速電路布局原則

3、線路板電源輸入口的濾波電路應(yīng)應(yīng)靠近接口放置，避免已經(jīng)經(jīng)過了濾波的線路被再次耦合。

圖 8 電源輸入口的濾波電路應(yīng)應(yīng)靠近接口放置 4、接口電路的濾波、防護(hù)以及隔離器件靠近接口放置，如圖 9 所示，可以有效的實(shí)現(xiàn)防護(hù)、濾波和隔離的效果。如果接口處既有濾波又有防護(hù)電路，應(yīng)該遵從先防護(hù)后濾波的原則。因?yàn)榉雷o(hù)電路是用來進(jìn)行外來過壓和過流抑制的，如果將防護(hù)電路放置在濾波電路之后，濾波電路會被過壓和過流損壞。 此外，由于電路的輸入輸出走線相互耦合時會削弱濾波、隔離或防護(hù)效果，布局時要保證濾波電路（濾波器）、隔離以及防護(hù)電路的輸入輸出線不要相互耦合。

圖 9 接口電路的濾波、防護(hù)以及隔離器件靠近接口放置

5、敏感電路或器件（如復(fù)位電路等）遠(yuǎn)離單板各邊緣特別是單板接口側(cè)邊緣至少 1000mil。

6、存在較大電流變化的單元電路或器件（如電源模塊的輸入輸出端、風(fēng)扇及繼電器）附近應(yīng)放置儲能和高頻濾波電容，以減小大電流回路的回路面積。

7、濾波器件需并排放置，以防止濾波后的電路被再次干擾。

8、晶體、晶振、繼電器、開關(guān)電源等強(qiáng)輻射器件遠(yuǎn)離單板接口連接器至少 1000mil。這樣可將干擾直接向外輻射或在外出電纜上耦合出電流來向外輻射。

05

PCB布線細(xì)則

除了元器件的選擇和電路設(shè)計(jì)之外，良好的印制電路板（PCB）布線在電磁兼容性中也是一個非常重要的因素。既然 PCB 是系統(tǒng)的固有成分，在 PCB 布線中增強(qiáng)電磁兼容性不會給產(chǎn)品的最終完成帶來附加費(fèi)用。

任何人都應(yīng)記住一個拙劣的 PCB 布線能導(dǎo)致更多的電磁兼容問題，而不是消除這些問題，在很多例子中，就算加上濾波器和元器件也不能解決這些問題。到最后，不得不對整個板子重新布線。

因此，在開始時養(yǎng)成良好的 PCB 布線習(xí)慣是最省錢的辦法。下面將對 PCB 布線的一些普遍規(guī)則和電源線、地線及信號線的設(shè)計(jì)策略進(jìn)行介紹，最后，根據(jù)這些規(guī)則，對空氣調(diào)節(jié)器的典型印制電路板電路提出改進(jìn)措施。

1、布線分離：布線分離的作用是將 PCB 同一層內(nèi)相鄰線路之間的串?dāng)_和噪聲耦合最小化。3W 規(guī)范表明所有的信號（時鐘，視頻，音頻，復(fù)位等等）都必須象圖 10 所示那樣，在線與線，邊沿到邊沿間予以隔離。

為了進(jìn)一步的減小磁耦合，將基準(zhǔn)地布放在關(guān)鍵信號附近以隔離其他信號線上產(chǎn)生的耦合噪聲。

圖 10 線跡隔離

2、保護(hù)與分流線路：設(shè)置分流和保護(hù)線路是對關(guān)鍵信號，比如對在一個充滿噪聲的環(huán)境中的系統(tǒng)時鐘信號進(jìn)行隔離和保護(hù)的非常有效的方法。在圖 21 中，PCB 內(nèi)的并聯(lián)或者保護(hù)線路是沿著關(guān)鍵信號的線路布放。

保護(hù)線路不僅隔離了由其他信號線上產(chǎn)生的耦合磁通，而且也將關(guān)鍵信號從與其他信號線的耦合中隔離開來。

分流線路和保護(hù)線路之間的不同之處在于分流線路不必被端接（與地連接），但是保護(hù)線路的兩端都必須連接到地。為了進(jìn)一步的減少耦合，多層 PCB 中的保護(hù)線路可以每隔一段就加上到地的通路。

圖 11 分流和保護(hù)線路

3、電源線設(shè)計(jì)：根據(jù)印制線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻。同時、使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。

在單面板或雙面板中，如果電源線走線很長，應(yīng)每隔 3000mil 對地加去耦合電容，電容取值為 10uF＋1000pF。

4、地線設(shè)計(jì)：地線設(shè)計(jì)的原則如下幾點(diǎn)所示。

（1）數(shù)字地與模擬地分開。若線路板上既有邏輯電路又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開。低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線有困難時可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而租，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。

（2）接地線應(yīng)盡量加粗。若接地線用很紉的線條，則接地電位隨電流的變化而變化，使抗噪性能降低。因此應(yīng)將接地線加粗，使它能通過三倍于印制板上的允許電流。如有可能，接地線應(yīng)在 2~3mm 以上。

（3）接地線構(gòu)成閉環(huán)路。只由數(shù)字電路組成的印制板，其接地電路布成團(tuán)環(huán)路大多能提高抗噪聲能力。

5、信號線設(shè)計(jì)：對于關(guān)鍵信號線，如果單板有內(nèi)部信號走線層，則時鐘等關(guān)鍵信號線布在內(nèi)層，優(yōu)先考慮優(yōu)選布線層。

另外，關(guān)鍵信號線一定不能跨分割區(qū)走線，包括過孔、焊盤導(dǎo)致的參考平面間隙，否則會導(dǎo)致信號回路面積的增大。

而且關(guān)鍵信號線應(yīng)距參考平面邊沿≥3H（H 為線距離參考平面的高度），以抑制邊緣輻射效應(yīng)。

對于時鐘線、總線、射頻線等強(qiáng)輻射信號線和復(fù)位信號線、片選信號線、系統(tǒng)控制信號等敏感信號線，應(yīng)遠(yuǎn)離接口外出信號線。從而避免強(qiáng)輻射信號線上的干擾耦合到外出信號線上，向外輻射；也避免接口外出信號線帶進(jìn)來的外來干擾耦合到敏感信號線上，導(dǎo)致系統(tǒng)誤操作。

對于差分信號線應(yīng)同層、等長、并行走線，保持阻抗一致，差分線間無其它走線。因?yàn)楸ＷC差分線對的共模阻抗相等，可以提高其抗干擾能力。

根據(jù)以上布線規(guī)則，對空氣調(diào)節(jié)器的典型印制電路板電路進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，如圖 12 所示。

圖 12 改進(jìn)空氣調(diào)節(jié)器的典型印制電路板電路

總體來說，PCB 設(shè)計(jì)對 EMC 的改善是：在布線之前，先研究好回流路徑的設(shè)計(jì)方案，就有最好的成功機(jī)會，可以達(dá)成降低 EMI 輻射的目標(biāo)。而且在還沒有動手實(shí)際布線之前，變更布線層等都不必花費(fèi)任何錢，是改善 EMC 最便宜的做法。

審核編輯 ：李倩