PCB多層板中電磁干擾和抗干擾問題

電磁兼容(Electro - Magnetic Compatibility，簡(jiǎn)稱EMC)是一門新興綜合性學(xué)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(shè)備或系統(tǒng)在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下，不因電磁干擾而降低性能指標(biāo)，同時(shí)它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于限定的極限電平，不影響其它系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并達(dá)到設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互不干擾、共同可靠工作的目的。 電磁干擾( EM I)產(chǎn)生是由于電磁干擾源通過耦合路徑將能量傳遞給敏感系統(tǒng)造成的，它包括由導(dǎo)線和公共地線的傳導(dǎo)、通過空間輻射或近場(chǎng)耦合3種基本形式。 實(shí)踐證明，即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確，印制電路板設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會(huì)對(duì)電子設(shè)備的可靠性產(chǎn)生不利影響，所以保證印制電路板電磁兼容性是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，本文主要討論電磁兼容技術(shù)及其在多層印制線路板( Printed Circuit Board，簡(jiǎn)稱PCB)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

PCB是電子產(chǎn)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(shè)備最基本的組成部分。 如今，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路已在電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，而且元器件在印刷電路板上的安裝密度越來越高，信號(hào)的傳輸速度更是越來越快， 由此而引發(fā)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于低、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(fā)展為解決以上問題提供了一種可能，并且其應(yīng)用變得越來越廣泛。

在PCB的EMC設(shè)計(jì)考慮中，首先涉及的便是層的設(shè)置;單板的層數(shù)由電源、地的層數(shù)和信號(hào)層數(shù)組成;在產(chǎn)品的EMC設(shè)計(jì)中，除了元器件的選擇和電路設(shè)計(jì)之外，良好的PCB設(shè)計(jì)也是一個(gè)非常重要的因素。

PCB的EMC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是盡可能減小回流面積，讓回流路徑按照我們?cè)O(shè)計(jì)的方向流動(dòng)。而層的設(shè)計(jì)是PCB的基礎(chǔ)，如何做好PCB層設(shè)計(jì)才能讓PCB的EMC效果最優(yōu)呢?

一、PCB層的設(shè)計(jì)思路

PCB疊層EMC規(guī)劃與設(shè)計(jì)思路的核心就是合理規(guī)劃信號(hào)回流路徑，盡可能減小信號(hào)從單板鏡像層的回流面積，使得磁通對(duì)消或最小化。

1、單板鏡像層

鏡像層是PCB內(nèi)部臨近信號(hào)層的一層完整的敷銅平面層(電源層、接地層)，主要有以下作用：

降低回流噪聲：鏡像層可以為信號(hào)層回流提供低阻抗路徑，尤其在電源分布系統(tǒng)中有大電流流動(dòng)時(shí)，鏡像層的作用更加明顯。

降低EMI：鏡像層的存在減少了信號(hào)和回流形成的閉合環(huán)的面積，降低了EMI;

降低串?dāng)_：有助于控制高速數(shù)字電路中信號(hào)走線之間的串?dāng)_問題，改變信號(hào)線距鏡像層的高度，就可以控制信號(hào)線間串?dāng)_，高度越小，串?dāng)_越小;

阻抗控制，防止信號(hào)反射。

2、鏡像層的選擇

電源、地平面都能用作參考平面，且對(duì)內(nèi)部走線有一定的屏蔽作用;

相對(duì)而言，電源平面具有較高的特性阻抗，與參考電平存在較大的電勢(shì)差，同時(shí)電源平面上的高頻干擾相對(duì)比較大;

從屏蔽的角度，地平面一般均作了接地的處理，并作為基準(zhǔn)電平參考點(diǎn)，其屏蔽效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于電源平面;

選擇參考平面時(shí)，應(yīng)優(yōu)選地平面，次選電源平面。

二、磁通對(duì)消原理

根據(jù)麥克斯韋方程，分立的帶電體或電流，它們之間的一切電的及磁的作用都是通過它們之間的中間區(qū)域傳遞的，不論中間區(qū)域是真空還是實(shí)體物質(zhì)。在PCB中磁通總是在傳輸線中傳播的，如果射頻回流路徑平行靠近其相應(yīng)的信號(hào)路徑，則回流路徑上的磁通與信號(hào)路徑上的磁通是方向相反的，這時(shí)它們相互疊加，則得到了通量對(duì)消的效果。

三、磁通對(duì)消的本質(zhì)

磁通對(duì)消的本質(zhì)，其實(shí)就是信號(hào)回流路徑的控制，具體示意圖如下：

四、如何用右手定則來解釋信號(hào)層與地層相鄰時(shí)磁通對(duì)消效果?

解釋如下：

當(dāng)導(dǎo)線上有電流流過時(shí)，導(dǎo)線周圍便會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的方向以右手定則來確定。

當(dāng)有兩條彼此靠近且平行的導(dǎo)線，如下圖所示，其中一個(gè)導(dǎo)體的電流向外流出，另一個(gè)導(dǎo)體的電流向內(nèi)流入，如果流過這兩根導(dǎo)線的電流分別是信號(hào)電流和它的回流電流，那么這兩個(gè)電流是大小相等方向相反的，所以它們的磁場(chǎng)也是大小相等，而方向是相反的，因此能相互抵消。

PCB層設(shè)計(jì)具體原則：

(1)元件面、焊接面下面為完整的地平面(屏蔽);

(2)盡量避免兩信號(hào)層直接相鄰;

(3)所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰;

(4)高頻、高速、時(shí)鐘等關(guān)鍵信號(hào)布線層要有一相鄰地平面。