中心議題：

• 怎樣用PCB分層堆疊設計控製EMI輻射

解決方案：

• 把所有的信號走線放在一層或若幹層
• IC周圍的電源層可以看成是優良的高頻電容器
• 信號線應就近在過孔旁放置接地過孔

解決EMI問題的辦法很多，現代的EMI抑製方法包括：利用EMI抑製塗層、選用合適的EMI抑製零配件和EMI仿真設計等。本文從最基本的PCB布板出發，討論PCB分層堆疊在控製EMI輻射中的作用和設計技巧。

電源彙流排

在IC的電源引腳附近合理地安置適當容量的電容，可使IC輸出電壓的跳變來得更快。然而



，問題並非到此為止。由於電容呈有限頻率響應的特性，這使得電容無法在全頻帶上生成幹淨地驅動IC輸出所需要的諧波功率。除此之外，電源彙流排上形成的瞬態電壓在去耦路徑的電感兩端會形成電壓降，這些瞬態電壓就是主要的共模EMI幹擾源。

我們應該怎麽解決這些問題？

就我們電路板上的IC而言
，IC周zhou圍wei的de電dian源yuan層ceng可ke以yi看kan成cheng是shi優you良liang的de高gao頻pin電dian容rong器qi
，它ta可ke以yi收shou集ji為wei幹gan淨jing輸shu出chu提ti供gong高gao頻pin能neng量liang的de分fen立li電dian容rong器qi所suo泄xie漏lou的de那na部bu份fen能neng量liang。此ci外wai
，優you良liang的de電dian源yuan層ceng的de電dian感gan要yao小xiao
，從cong而er電dian感gan所suo合he成cheng的de瞬shun態tai信xin號hao也ye小xiao
，進jin而er降jiang低di共gong模moEMI。
                                

當然，電源層到IC電源引腳的連線必須盡可能短，因為數位信號的上升沿越來越快
，最好是直接連到IC電源引腳所在的焊盤上，這要另外討論。

為了控製共模EMI
，電(dian)源(yuan)層(ceng)要(yao)有(you)助(zhu)於(yu)去(qu)耦(ou)和(he)具(ju)有(you)足(zu)夠(gou)低(di)的(de)電(dian)感(gan)
，這(zhe)個(ge)電(dian)源(yuan)層(ceng)必(bi)須(xu)是(shi)一(yi)個(ge)設(she)計(ji)相(xiang)當(dang)好(hao)的(de)電(dian)源(yuan)層(ceng)的(de)配(pei)對(dui)。有(you)人(ren)可(ke)能(neng)會(hui)問(wen)，好(hao)到(dao)什(shen)麽(me)程(cheng)度(du)才(cai)算(suan)好(hao)？問(wen)題(ti)的(de)答(da)案(an)取(qu)決(jue)於(yu)電(dian)源(yuan)的(de)分(fen)層(ceng)
、層間的材料以及工作頻率(即IC上升時間的函數)。通常
，電源分層的間距是6mil，夾層是FR4材料，則每平方英寸電源層的等效電容約為75pF。顯然
，層間距越小電容越大。

上升時間為100到300ps的器件並不多
，但是按照目前IC的發展速度，上升時間在100到300ps範圍的器件將占有很高的比例。對於100到300ps上升時間的電路

，3mil層間距對大多數應用將不再適用。那時

，有必要采用層間距小於1mil的分層技術，並用介電常數很高的材料代替FR4介電材料。

現在，陶瓷和加陶塑料可以滿足100到300ps上升時間電路的設計要求。

盡管未來可能會采用新材料和新方法，但對於今天常見的1到3ns上升時間電路、3到6mil層間距和FR4介電材料
，通常足夠處理高端諧波並使瞬態信號足夠低，就是說，共模EMI可以降得很低。本文給出的PCB分層堆疊設計實例將假定層間距為3到6mil。

電磁屏蔽

從(cong)信(xin)號(hao)走(zou)線(xian)來(lai)看(kan)，好(hao)的(de)分(fen)層(ceng)策(ce)略(lve)應(ying)該(gai)是(shi)把(ba)所(suo)有(you)的(de)信(xin)號(hao)走(zou)線(xian)放(fang)在(zai)一(yi)層(ceng)或(huo)若(ruo)幹(gan)層(ceng)


，這(zhe)些(xie)層(ceng)緊(jin)挨(ai)著(zhu)電(dian)源(yuan)層(ceng)或(huo)接(jie)地(di)層(ceng)。對(dui)於(yu)電(dian)源(yuan)，好(hao)的(de)分(fen)層(ceng)策(ce)略(lve)應(ying)該(gai)是(shi)電(dian)源(yuan)層(ceng)與(yu)接(jie)地(di)層(ceng)相(xiang)鄰(lin)
，且(qie)電(dian)源(yuan)層(ceng)與(yu)接(jie)地(di)層(ceng)的(de)距(ju)離(li)盡(jin)可(ke)能(neng)小(xiao)，這(zhe)就(jiu)是(shi)我(wo)們(men)所(suo)講(jiang)的(de)“分層＂策略。

PCB堆疊

什麽樣的堆疊策略有助於屏蔽和抑製EMI？以下分層堆疊方案假定電源電流在單一層上流動，單電壓或多電壓分布在同一層的不同部份。多電源層的情形稍後討論。

4層板
4層板設計存在若幹潛在問題。首先，傳統的厚度為62mil的四層板，即使信號層在外層，電源和接地層在內層

，電源層與接地層的間距仍然過大。

如果成本要求是第一位的，可以考慮以下兩種傳統4層板的替代方案。這兩個方案都能改善EMI抑製的性能
，但隻適用於板上元件密度足夠低和元件周圍有足夠麵積(放置所要求的電源覆銅層)的場合。
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第一種為首選方案，PCB的外層均為地層，中間兩層均為信號/電源層。信號層上的電源用寬線走線，這可使電源電流的路徑阻抗低，且信號微帶路徑的阻抗也低。從EMI控製的角度看，這是現有的最佳4層PCB結構。

第二種方案的外層走電源和地
，中間兩層走信號。該方案相對傳統4層板來說
，改進要小一些
，層間阻抗和傳統的4層(ceng)板(ban)一(yi)樣(yang)欠(qian)佳(jia)。如(ru)果(guo)要(yao)控(kong)製(zhi)走(zou)線(xian)阻(zu)抗(kang)，上(shang)述(shu)堆(dui)疊(die)方(fang)案(an)都(dou)要(yao)非(fei)常(chang)小(xiao)心(xin)地(di)將(jiang)走(zou)線(xian)布(bu)置(zhi)在(zai)電(dian)源(yuan)和(he)接(jie)地(di)鋪(pu)銅(tong)島(dao)的(de)下(xia)邊(bian)。另(ling)外(wai)，電(dian)源(yuan)或(huo)地(di)層(ceng)上(shang)的(de)鋪(pu)銅(tong)島(dao)之(zhi)間(jian)應(ying)盡(jin)可(ke)能(neng)地(di)互(hu)連(lian)在(zai)一(yi)起(qi)，以(yi)確(que)保(bao)DC和低頻的連接性。

6層板

如果4層板上的元件密度比較大，則最好采用6層板。但是，6層板設計中某些疊層方案對電磁場的屏蔽作用不夠好，對電源彙流排瞬態信號的降低作用甚微。下麵討論兩個實例。

                                 



第一例將電源和地分別放在第2和第5層，由於電源覆銅阻抗高，對控製共模EMI輻射非常不利。不過
，從信號的阻抗控製觀點來看，這一方法卻是非常正確的。

第二例將電源和地分別放在第3和第4層，這一設計解決了電源覆銅阻抗問題，由於第1層和第6層的電磁屏蔽性能差，差模EMI增加了。如果兩個外層上的信號線數量最少，走線長度很短(短於信號最高諧波波長的1/20)，則這種設計可以解決差模EMI問題。將外層上的無元件和無走線區域鋪銅填充並將覆銅區接地(每1/20波長為間隔)
，則對差模EMI的抑製特別好。如前所述
，要將鋪銅區與內部接地層多點相聯。

通用高性能6層板設計一般將第1和第6層布為地層，第3和第4層走電源和地。由於在電源層和接地層之間是兩層居中的雙微帶信號線層
，因而EMI抑製能力是優異的。該設計的缺點在於走線層隻有兩層。前麵介紹過，如果外層走線短且在無走線區域鋪銅
，則用傳統的6層板也可以實現相同的堆疊。

                                        

另一種6層板布局為信號
、地、信號、電源、地、信號，這可實現高級信號完整性設計所需要的環境。信號層與接地層相鄰，電源層和接地層配對。顯然
，不足之處是層的堆疊不平衡。

這通常會給加工製造帶來麻煩。解決問題的辦法是將第3層所有的空白區域填銅，填銅後如果第3cengdefutongmidujiejinyudianyuancenghuojiediceng，zhekuaibankeyibuyangedisuanzuoshijiegoupinghengdedianluban。tiantongqubixujiedianyuanhuojiedi。lianjieguokongzhijiandejulirengranshi1/20波長
，不見得處處都要連接，但理想情況下應該連接。

10層板

由於多層板之間的絕緣隔離層非常薄，所以10或12層的電路板層與層之間的阻抗非常低
，隻要分層和堆疊不出問題
，完全可望得到優異的信號完整性。要按62mil厚度加工製造12層板，困難比較多

，能夠加工的製造商也不多。

由於信號層和回路層之間總是隔有絕緣層
，在10層板設計中分配中間6層來走信號線的方案並非最佳。另外

，讓信號層與回路層相鄰很重要
，即板布局為信號、地、信號、信號、電源、地、信號、信號
、地、信號。
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這一設計為信號電流及其回路電流提供了良好的通路。恰當的布線策略是
，第1層沿X方向走線

，第3層沿Y方向走線，第4層沿X方向走線，以此類推。直觀地看走線，第1層1和第3層是一對分層組合，第4層和第7層是一對分層組合，第8層和第10層是最後一對分層組合。當需要改變走線方向時
，第1層上的信號線應藉由“過孔＂到第3層以後再改變方向。實際上，也許並不總能這樣做
，但作為設計概念還是要盡量遵守。

當信號的走線方向變化時，應該藉由過孔從第8層和第10層或從第4層到第7層。這樣布線可確保信號的前向通路和回路之間的耦合最緊。例如
，如果信號在第1層上走線，回路在第2層且隻在第2層上走線

，那麽第1層上的信號即使是藉由“過孔＂轉到了第3層上，其回路仍在第2層
，從而保持低電感、大電容的特性以及良好的電磁屏蔽性能。
                                     
如果實際走線不是這樣，怎麽辦？比如第1層上的信號線經由過孔到第10層，這時回路信號隻好從第9層尋找接地平麵
，回路電流要找到最近的接地過孔(如電阻或電容等元件的接地引腳)。如果碰巧附近存在這樣的過孔
，則真的走運。假如沒有這樣近的過孔可用，電感就會變大


，電容要減小
，EMI一定會增加。

dangxinhaoxianbixujingyouguokonglikaixianzaideyiduibuxiancengdaoqitabuxiancengshi，yingjiujinzaiguokongpangfangzhijiediguokong，zheyangkeyishihuiluxinhaoshunlifanhuiqiadangdejiediceng。duiyudi4層和第7層分層組合

，信號回路將從電源層或接地層(即第5層或第6層)返回
，因為電源層和接地層之間的電容耦合良好


，信號容易傳輸。
                                                   
多電源層的設計

如(ru)果(guo)同(tong)一(yi)電(dian)壓(ya)源(yuan)的(de)兩(liang)個(ge)電(dian)源(yuan)層(ceng)需(xu)要(yao)輸(shu)出(chu)大(da)電(dian)流(liu)，則(ze)電(dian)路(lu)板(ban)應(ying)布(bu)成(cheng)兩(liang)組(zu)電(dian)源(yuan)層(ceng)和(he)接(jie)地(di)層(ceng)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)

，每(mei)對(dui)電(dian)源(yuan)層(ceng)和(he)接(jie)地(di)層(ceng)之(zhi)間(jian)都(dou)放(fang)置(zhi)了(le)絕(jue)緣(yuan)層(ceng)。這(zhe)樣(yang)就(jiu)得(de)到(dao)我(wo)們(men)期(qi)望(wang)的(de)等(deng)分(fen)電(dian)流(liu)的(de)兩(liang)對(dui)阻(zu)抗(kang)相(xiang)等(deng)的(de)電(dian)源(yuan)彙(hui)流(liu)排(pai)。如(ru)果(guo)電(dian)源(yuan)層(ceng)的(de)堆(dui)疊(die)造(zao)成(cheng)阻(zu)抗(kang)不(bu)相(xiang)等(deng)
，則(ze)分(fen)流(liu)就(jiu)不(bu)均(jun)勻(yun)，瞬(shun)態(tai)電(dian)壓(ya)將(jiang)大(da)得(de)多(duo)，並(bing)且(qie)EMI會急劇增加。

如ru果guo電dian路lu板ban上shang存cun在zai多duo個ge數shu值zhi不bu同tong的de電dian源yuan電dian壓ya
，則ze相xiang應ying地di需xu要yao多duo個ge電dian源yuan層ceng
，要yao牢lao記ji為wei不bu同tong的de電dian源yuan創chuang建jian各ge自zi配pei對dui的de電dian源yuan層ceng和he接jie地di層ceng。在zai上shang述shu兩liang種zhong情qing況kuang下xia，確que定ding配pei對dui電dian源yuan層ceng和he接jie地di層ceng在zai電dian路lu板ban的de位wei置zhi時shi

，切qie記ji製zhi造zao商shang對dui平ping衡heng結jie構gou的de要yao求qiu。

鑒於大多數工程師設計的電路板是厚度62mil、budaimangkonghuomaikongdechuantongyinzhidianluban
，benwenguanyudianlubanfencengheduidiedetaolundoujuxianyuci。houduchabietaidadedianluban，benwentuijiandefencengfangankenengbulixiang。ciwai
，daimangkonghuomaikongdedianlubandejiagongzhichengbutong，benwendefencengfangfayebushiyong。

電路板設計中厚度
、過孔製程和電路板的層數不是解決問題的關鍵，優良的分層堆疊是保證電源彙流排的旁路和去耦、使(shi)電(dian)源(yuan)層(ceng)或(huo)接(jie)地(di)層(ceng)上(shang)的(de)瞬(shun)態(tai)電(dian)壓(ya)最(zui)小(xiao)並(bing)將(jiang)信(xin)號(hao)和(he)電(dian)源(yuan)的(de)電(dian)磁(ci)場(chang)屏(ping)蔽(bi)起(qi)來(lai)的(de)關(guan)鍵(jian)。理(li)想(xiang)情(qing)況(kuang)下(xia)
，信(xin)號(hao)走(zou)線(xian)層(ceng)與(yu)其(qi)回(hui)路(lu)接(jie)地(di)層(ceng)之(zhi)間(jian)應(ying)該(gai)有(you)一(yi)個(ge)絕(jue)緣(yuan)隔(ge)離(li)層(ceng)，配(pei)對(dui)的(de)層(ceng)間(jian)距(ju)(或一對以上)應該越小越好。根據這些基本概念和原則，才能設計出總能達到設計要求的電路板。現在，IC的上升時間已經很短並將更短
，本文討論的技術對解決EMI屏蔽問題是必不可少的。