​通过PCB分层堆叠设计控制EMI辐射

通过PCB分层堆叠设计控制EMI辐射

解决 EMI 问题的方法有很多。 现代EMI抑制方法包括：采用EMI抑制涂层、选择合适的EMI抑制部件、EMI仿真设计等。 本文从最基本的PCB布局开始，探讨PCB分层堆叠在控制EMI辐射中的作用和设计技巧。

电源总线

如果在IC的电源引脚附近合理放置一个容量合适的电容，则IC输出电压的跳变可以更快。 然而，问题并不止于此。 由于电容器的频率响应有限，电容器不可能在全频段内产生干净地驱动IC输出所需的谐波功率。 另外，电源总线上形成的瞬态电压会在去耦路径中的电感两端形成压降，这些瞬态电压是主要的共模EMI干扰源。 我们应该如何解决这些问题呢？

就我们电路板上的IC而言，IC周围的供电层可以看作是一个很好的高频电容，它可以收集分立电容泄漏的能量，为干净的输出提供高频能量。 另外，优良的电源层电感较小，因此电感合成的瞬态信号较小，从而降低共模EMI。

当然，从电源层到IC电源引脚的连接必须尽可能短，因为数字信号的上升沿越来越快。 最好直接连接到IC电源引脚所在的焊盘上。 这个应该单独讨论。

为了控制共模EMI，电源层应有利于去耦并具有足够低的电感。 这个供电层必须是一对设计良好的供电层。 有人可能会问，那有多好呢？ 这个问题的答案取决于电源的分层、层间材料以及工作频率（即IC上升时间的函数）。 一般电源层间距为6mil，中间层采用FR4材料，因此每平方英寸电源层的等效电容约为75pF。 显然，层间距越小，电容越大。

上升时间为100～300 ps的器件并不多，但按照目前IC的发展速度，上升时间为100～300 ps的器件将占据较高比例。 对于上升时间为 100 至 300 ps 的电路，3 3mil 的层间距不再适合大多数应用。 当时需要采用层间距小于1mil的分层技术，并用高介电常数的材料替代FR4介质材料。 现在，陶瓷和陶瓷塑料可以满足100至300 ps上升时间电路的设计要求。

虽然未来可能会使用新的材料和方法，但对于当今常见的1至3ns上升时间电路、3至6mil层间距以及FR4介电材料来说，共模EMI可以降低到非常低的水平，这些材料通常就足够了 处理高端谐波并使瞬态信号足够低。 本文给出的 PCB 分层堆叠设计示例将假设层间距为 3 至 6 mil。

电磁屏蔽

从信号走线的角度来看，一个好的分层策略应该是将所有信号走线放在靠近电源层或接地层的一层或几层上。 对于电源来说，一个好的分层策略应该是电源层与地平面相邻，并且电源层与地平面之间的距离应尽可能小。 这就是我们所说的“分层”策略。

PCB堆叠

哪些堆叠策略可以帮助屏蔽和抑制 EMI？ 以下分层堆叠方案假设电源电流在单层上流动，并且单个或多个电压分布在同一层的不同部分。 稍后将讨论多个电源层的情况。

4层板

4层板的设计存在几个潜在的问题。 首先，对于厚度为62mil的传统四层板，即使信号层在外层，电源层和地层在内层，电源层和地层之间的距离仍然太大 。

如果成本要求是第一位的，可以考虑以下两种传统4层板的替代方案。 这两种方案都能提高EMI抑制性能，但仅适用于板上元件密度足够低且元件周围有足够面积（放置所需电源覆铜层）的情况。

第一个是首选解决方案。 PCB的外层是地层，中间两层是信号/电源层。 信号层电源采用较宽的走线，使得电源电流的路径阻抗较低，信号微带路径的阻抗也较低。 从EMI控制的角度来看，这是目前最好的4层PCB结构。 第二种方案外层使用电源和地，中间两层使用信号。 与传统4层板相比，该方案的改进较小，层间阻抗与传统4层板一样差。

如果要控制走线阻抗，上述堆叠方案要非常小心，将走线布置在电源和接地铜岛下方。 另外，电源或地层上的铜岛应尽可能互连，以保证直流和低频的连通性。

6层板

如果4层板上的元件密度比较大，最好采用6层板。 但6层板设计中的一些堆叠方案对电磁场的屏蔽效果不够好，对于降低电源总线的瞬态信号效果甚微。 下面讨论两个例子。

在第一个示例中，电源和地分别放置在第二层和第五层。 由于电源的覆铜阻抗较高，对于控制共模EMI辐射非常不利。 不过，从信号阻抗控制的角度来看，这种方法是非常正确的。

在第二个例子中，电源和地分别放置在第三层和第四层。 此设计解决了电源的覆铜阻抗问题。 由于第一层和第六层的电磁屏蔽性能较差，导致差模EMI增加。 如果外层两层信号线数量最少且走线长度很短（短于信号最高谐波波长的1/20），这种设计可以解决差模EMI问题。 如果外层无元件、无走线的区域都用铜填充，并且覆铜区域接地（每1/20波长为一个间隔），则差模EMI的抑制效果特别好。 如前所述，敷铜区域应与内部接地层多点连接。

一般情况下，第一层和第六层分层布置，第三层和第四层通电和接地。 由于电源层和接地层之间有两层双微带信号线，因此EMI抑制能力极佳。 这种设计的缺点是路由层只有两层。 前面提到，如果外层布线较短，在没有布线的区域敷铜，传统的6层板也可以实现同样的堆叠。

另一种6层板布局为信号、地、信号、电源、地、信号，可实现高级信号完整性设计所需的环境。 信号层与接地层相邻，电源层与接地层配对。 显然，其缺点是各层堆叠不均匀。

这通常会给加工制造带来麻烦。 解决问题的办法是用铜填充第三层的所有空白区域。 如果填铜后第三层的覆铜密度与电源层或地平面接近，则该板可以宽松地视为具有平衡结构的电路板。 填铜区域必须连接电源或接地。 连接过孔之间的距离仍然是 1/20 波长。 不可能到处都连接它们，但理想情况下应该连接它们。

10层板

由于多层板之间的绝缘隔离层很薄，所以10层或12层电路板的层间阻抗很低。 只要分层和堆叠没有问题，就可以获得出色的信号完整性。