PCBEMC 设计考虑中,首先涉及的便是层的设置;单板的层数由电源、地的层数和信号层数组成;在产品的 EMC 设计中,除了元器件的选择和电路设计之外,良好的 PCB 设计也是一个非常重要的因素。

 

PCB 的 EMC 设计的关键,是尽可能减小回流面积,让回流路径按照我们设计的方向流动。而层的设计是 PCB 的基础,如何做好 PCB 层设计才能让 PCB 的 EMC 效果最优呢?


一、PCB 层的设计思路:

PCB 叠层 EMC 规划与设计思路的核心就是合理规划信号回流路径,尽可能减小信号从单板镜像层的回流面积,使得磁通对消或最小化。


1. 单板镜像层

镜像层是 PCB 内部临近信号层的一层完整的敷铜平面层(电源层、接地层),主要有以下作用:


降低回流噪声:镜像层可以为信号层回流提供低阻抗路径,尤其在电源分布系统中有大电流流动时,镜像层的作用更加明显。

 

降低 EMI:镜像层的存在减少了信号和回流形成的闭合环的面积,降低了 EMI;

 

降低串扰:有助于控制高速数字电路中信号走线之间的串扰问题,改变信号线距镜像层的高度,就可以控制信号线间串扰,高度越小,串扰越小;

 

阻抗控制:防止信号反射。


2. 镜像层的选择

电源、地平面都能用作参考平面,且对内部走线有一定的屏蔽作用;

 

相对而言,电源平面具有较高的特性阻抗,与参考电平存在较大的电势差,同时电源平面上的高频干扰相对比较大;


从屏蔽的角度,地平面一般均作了接地的处理,并作为基准电平参考点,其屏蔽效果远远优于电源平面;


选择参考平面时,应优选地平面,次选电源平面。


二、磁通对消原理:

根据麦克斯韦方程,分立的带电体或电流,它们之间的一切电的及磁的作用都是通过它们之间的中间区域传递的,不论中间区域是真空还是实体物质。在 PCB 中磁通总是在传输线中传播的,如果射频回流路径平行靠近其相应的信号路径,则回流路径上的磁通与信号路径上的磁通是方向相反的,这时它们相互叠加,则得到了通量对消的效果。


三、磁通对消

磁通对消的本质就是信号回流路径的控制,具体示意图如下

 

四、右手定则

如何用右手定则来解释信号层与地层相邻时磁通对消效果,解释如下:

 

当导线上有电流流过时,导线周围便会产生磁场,磁场的方向以右手定则来确定。

 

当有两条彼此靠近且平行的导线,如下图所示,其中一个导体的电流向外流出,另一个导体的电流向内流入,如果流过这两根导线的电流分别是信号电流和它的回流电流,那么这两个电流是大小相等方向相反的,所以它们的磁场也是大小相等,而方向是相反的,因此能相互抵消。

 

 

五、六层板设计实例

 

 

对于六层板,优先考虑方案 3

分析:

于信号层与回流参考平面相邻,S1、S2、S3 相邻平面,有最佳的磁通抵消效果,优选布线层 S2,其次 S3、S1。


电源平面与 GND 平面相邻,平面间距离很小,有最佳的磁通抵消效果和低的电源平面阻抗。主电源及其对应的地布在 4、5 层,层厚设置时,增大 S2-P 之间的间距,缩小 P-G2 之间的间(相应缩小 G1-S2 层之间的间距),以减小电源平面的阻抗,减少电源对 S2 的影响。

 

在成本要求较高的时候,可采用方案 1

 

 

分析:
此种结构,由于信号层与回流参考平面相邻,S1 和 S2 紧邻地平面,有最佳的磁通抵消效果;

电源平面由于要经过 S3 和 S2 到 GND 平面,差的磁通抵消效果和高的电源平面阻抗;

优选布线层 S1、S2,其次 S3、S4。

 

对于六层板,备选方案 4

 

 

分析:对于局部、少量信号要求较高的场合,方案 4 比方案 3 更适合,它能提供极佳的布线层 S2。


最差 EMC 效果,方案 2

 

 

分析:此种结构,S1 和 S2 相邻,S3 与 S4 相邻,同时 S3 与 S4 不与地平面相邻,磁通抵消效果差。


六、总结

PCB 层设计具体原则:


元件面、焊接面下面为完整的地平面(屏蔽);

尽量避免两信号层直接相邻;

所有信号层尽可能与地平面相邻;

高频、高速、时钟等关键信号布线层要有一相邻地平面。