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PCB布線中的電磁兼容設計
電磁兼容(Electro - Magnetic Compatibility，簡稱EMC)是一門新興綜合性學科，它主要研究電磁干擾和抗干擾問題。電磁兼容性是指電子設備或系統在規定的電磁環境電平下，不因電磁干擾而降低性能指標，同時它們本身產生的電磁輻射不大於限定的極限電平，不影響其它系統的正常運行，並達到設備與設備、系統與系統之間互不干擾、共同可靠工作的目的。電磁干擾( EM I)產生是由於電磁干擾源通過耦合路徑將能量傳遞給敏感系統造成的，它包括由導線和公共地線的傳導、通過空間輻射或近場耦合3種基本形式。實踐證明，即使電路原理圖設計正確，印製電路板設計不當，也會對電子設備的可靠性產生不利影響，所以保證印製電路板電磁兼容性是整個系統設計的關鍵，本文主要討論電磁兼容技術及其在多層印製線路板( Printed Circuit Board，簡稱PCB)設計中的應用。 PCB是電子產品中電路元件和器件的支撐件，它提供電路元件和器件之間的電氣連接，是各種電子設備最基本的組成部分。如今，大規模和超大規模集成電路已在電子設備中得到廣泛應用，而且元器件在印刷電路板上的安裝密度越來越高，信號的傳輸速度更是越來越快， 由此而引發的EMC問題也變得越來越突出。PCB 有單面板(單層板) 、雙面板(雙層板)和多層板之分。單面板和雙面板一般用於低、中密度布線的電路和集成度較低的電路， 多層板使用高密度布線和集成度高的電路。從電磁兼容的角度看單面板和雙面板不適宜高速電路，單面、雙面布線已滿足不了高性能電路的要求，而多層布線電路的發展為解決以上問題提供了一種可能，並且其應用變得越來越廣泛。
一：PCB設計提高電磁兼容性能的方法：
1、可用在PCB走線上串接一個電阻的辦法，降低控制信號線的上下沿跳變速率； 2、儘量為繼電器等提供某種形式的阻尼（高頻電容，反向二極體等）；
3、對進入印製板的信號要加濾波，從高噪聲區到低噪聲區的信號也要加濾波，同時串終端電阻的辦法，減小信號反射。
4、MCU無用端要通過相應的匹配電阻接電源，或接地。或定義成輸出端，集成電路上該接電源、地的端都要接，不要懸空。晶片未用的管腳接地。
5、閒置不用的門電路輸入端不要懸空，而是通過相應的匹配電阻接電源或接地。閒置不用的運放的正輸入端接地，負輸入端接輸出端。
6、為每一個集成電路設一個高頻去耦電容。每一個電解電容邊上都要加一個高頻旁路電容。
7、用大容量的鉭電容或聚酯電容,使用管狀電容時，外殼要接地
二：PCB走線原則:
1、走線儘可能短。
2、最小化串擾的影響，每條走線與其他走線之間的距離應該儘可能大。
3、避免90度拐角的走線，建議使用45度走線。如果一定要用90度拐角，建議將拐角處圓整，以減小拐角處寬度的變化。
4、危險信號儘量在靠近地參考面的層進行布線
5、布線形成的迴路面積要最小，回流電流要通過低阻抗的地，不要通過自由空間回到源。迴路儘量不要與其它回流電流共用一路徑，以免產生共阻抗耦合。
6、高頻信號儘量不要使用過孔，過孔會有寄生電感。
7、微帶線，允許對邊沿變化的速度快的信號作最快的傳輸，帶狀線，這種布線方式對共模的RF電流的去除最有效,這種走線方法可以有效改善PCB的EMI效果。
8、地保護線與分流走線。
三：多層布線的特點PCB是由具有多層結構的有機和無機介質材料組成，層之間的連接通過過孔來實現，過孔鍍上或填充金屬材料就可以實現層之間的電信號導通。多層布線之所以得到廣泛的應用，究其原因，有以下特點：1、多層板內部設有專用電源層、地線層。電源層可以作為噪聲迴路，降低干擾;同時電源層還為系統所有信號提供迴路，消除公共阻抗耦合干擾。減小了供電線路的阻抗，從而減小了公共阻抗干擾。2、多層板採用了專門地線層，對所有信號線而言都有專門接地線。信號線的特性:阻抗穩定、易匹配，減少了反射引起的波形畸變;同時，採用專門的地線層加大了信號線和地線之間的分布電容，減小了串擾。四：印製電路板的疊層設計
4.1PCB的布線規則多層電路板的電磁兼容分析可以基於克希霍夫定律和法拉第電磁感應定律。根據克希霍夫定律，任何時域信號由源到負載的傳輸都必須有一個最低阻抗的路徑。具有多層的PCB常常用於高速、高性能的系統，其中的多層用於直流(DC)電源或地參考平面。這些平面通常是沒有任何分割的實體平面，因為具有足夠的層用作電源或地層，因此沒有必要將不同的DC電壓置於同一層上。該層將會用作與它們相鄰的傳輸線上信號的電流返回通路。構造低阻抗的電流返回通路是這些平面層最重要的EMC目標。信號層分布在實體參考平面層之間，它們可以是對稱的帶狀線和非對稱的帶狀線。以一個12層板為例說明多層板的結構和布局 。其分層結構為T - P - S - P - S - P - S - P - S - S - P - B，「T」為頂層，「P」為參考平面層，「S」為信號層，「B」為底層。從頂層至底層依次為第1層、第2層、……、第12層。頂層和底層用作元件的焊盤，信號在頂層和底層不應傳輸太長的距離，以便減少來自走線的直接輻射。不相容的信號線應相互隔離，這樣做的目的是避免相互之間產生耦合干擾。高頻與低頻、大電流與小電流、數字與模擬信號線是不相容的， 元件布置中就應該把不相容元件放在印製板上不同的位置， 在信號線的布置上仍要注意把它們隔離。設計時要注意以下3個問題：(1)確定哪個參考平面層將包含用於不同的DC電壓的多個電源區。假設第11層有多個DC電壓，就意味著設計者必須將高速信號儘可能遠離第10層和底層，因為返回電流不能流過第10層以上的參考平面，並且需要使用縫合電容，第3、5、7和9層分別為高速信號的信號層。重要信號的走線儘可能以一個方向布局，以便優化層上可能的走線通道數。分布在不同層上的信號走線應互相垂直，這樣可以減少線間的電場和磁場的耦合干擾，第3和第7層可以設定為「東西」走線，而第5和第9層設置為「南北」走線。走線布在哪一層要根據其到達目的地的方向。(2)高速信號走線時層的變化，及哪些不同的層用於一個獨立的走線，確保返回
電流從一個參考平面流到需要的新參考平面。這樣是為了減小信號環路面積，減小環路的差模電流輻射和共模電流輻射。環路輻射與電流強度、環路面積成正比。實際上，最好的設計並不要求返回電流改變參考平面，而是簡單地從參考平面的一側改變到另一側。如信號層的組合可以用作信號層對:第3層和第5層，第5層和第7層，第7層和第9層，這就允許一個東西方向和南北方向形成一個布線組合。但是第3層和第9層的組合就不應使用，因為這要求返回電流從第4層流到第8層。儘管一個去耦電容可以放置在過孔附近，但在高頻時由於存在引線和過孔電感而使電容失去作用。並且這種走線會使信號環路面積增大，不利減小電流輻射。(3)為參考平面層選定DC電壓。該例中，由於處理器內部信號處理的高速性，致使在電源/地參考引腳上存在大量的噪聲。因此，在為處理器提供相同DC電壓上使用去耦電容器非常重要，並且儘可能有效地使用去耦電容器。降低這些元件電感的最好方法是連接走線儘可能短和寬，並且儘可能使過孔短和粗。如果第2層分配為「地」，且第4層分配為處理器的電源，則過孔距離放置處理器和去耦電容器的頂層應該儘可能短。延伸到板的底層的過空剩餘部分不包含任何重要的電流，而且距離短不會具有天線作用。表1列出了疊層設計布局的參考配置。
4.2H規則及W 法則在多層PCB板電磁兼容性設計中，確定多層板電源層與邊沿的距離和解決印製條間的距離有兩個基本原則: 20 - H規則及3 - W法則。H原則：由於磁通之間的連接， RF電流通常存在於電源平面的邊緣，這種層間的耦合稱為邊緣效應，當使用高速的數字邏輯和時鐘信號時，電源平面間會互相耦合RF電流，如圖1所示。為減小這種效應，電源平面的物理尺寸都應該比最靠近地平面的物理尺寸至少小20H (H為電源平面和地平面之間的距離) ，電源的邊緣效應通常發生在10H左右， 20H時約10%的磁通被阻斷，如果想達到98%磁通被阻斷的話，則需要100%的邊界值，如圖1所示。20 - H規則決定了電源平面和最近的接地平面間的物理距離，這個距離包括敷銅厚度、預填充和絕緣分離層。使用20 - H可以提高PCB自身的諧振頻率。
W法則：當兩條印製線間距較小時，兩條線之間會發生電磁串擾，這會使有關電路功能失常，為避免這種干擾，應保持任何線條間距不小於3倍印製線條寬度，即不小於3W (W為印製線條寬度)。印製線條寬度取決於線條阻抗的要求，太寬會影響布線密度，太窄會影響傳輸到終端的信號完整性和強度。時鐘電路、差分對、I/O埠的布線都是3 - W原則的基本應用對象。3 - W原則只是表示了串擾能量衰減70%的電磁通量線邊界，若要求更高，如保證串擾能量衰減98%的電磁通量邊界線就必須採用10W間隔。4.3地線的布置首先，要建立分布參數的概念，高於一定頻率時，任何金屬導線都要看成是由電阻、電感構成的器件。所以接地引線具有一定阻抗並且構成電氣迴路，不管是單點接地還是多點接地，都必須構成低阻抗迴路進入真正的地或機架。25mm 長的典型印製線大約會表現15～ 20nH電感，加上分布電容的存在，就會在接地板和設備機架之間構成諧振電路。其次， 接地電流流經接地線時，會產生傳輸線效應和天線效應。當線條長度為1 /4波長時，表現出很高的阻抗，接地線實際上是開路的， 接地線反而成為向外輻射的天線。最後，接地板上充滿高頻電流和騷擾形成的渦流，因此，在接地點之間構成許多迴路，這些迴路的直徑(或接地點間距) 應小於最高頻率波長的1 /20。選擇恰當的器件是設計成功的重要因素，特別是在選擇邏輯器件時，儘量選擇上升時間比5ns長的， 決不要選比電路要求時序快的邏輯器件。4.4電源線的布置對於多層板，採用電源層- 地層結構供電，這種結構的特性阻抗比軌線對小得多，可以做到小於1Ω。這種結構具有一定的電容，不必在每個集成晶片旁加高頻去耦電容。即使層電容容量不夠，需要外加去耦電容時，也不要加在集成晶片旁邊，可加在印製板的任何地方。集成晶片的電源腳和地腳可以通過金屬化通孔直接與電源層和地層連接， 所以供電環路總是最小的。由於「電流總是走阻抗最小途徑」原則， 地層上的高頻回流總是緊貼在軌線下面走， 除非有地層隔縫阻擋， 因此信號環路也總是最小的。可見電源層- 地層結構與軌線對供電相比較， 具有布置簡單靈活、電磁兼容性好等優點。
五總結在多層PCB設計中，元器件要分組放置， 以防止產生組間干擾; 高速電路位置要安排恰當， 以免通過電場耦合或磁場耦合干擾其他電路; 根據情況分別設置地線， 以防止共地線阻抗耦合干擾; 供電環路面積應該減小到最低程度， 且不同電源的供電環路不要重疊， 以避免產生磁場耦合;不相容的信號線要相互隔離， 以免產生耦合干擾; 還應減小信號環路面積， 以降低環路輻射和共模輻射。
