從EMC（電磁兼容）設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，PCB板的EMC設(shè)計(jì)是EMC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。而PCB板EMC設(shè)計(jì)的開始階段就是層的設(shè)置，層設(shè)計(jì)形式的不合理，就可能產(chǎn)生諸多的噪聲而形成EMI干擾和自身的EMC問題，所以合理的層布局與電路設(shè)計(jì)同樣重要。

要使PCB系統(tǒng)的層布局達(dá)到其電磁兼容性要求，通常系統(tǒng)層布局需要從三點(diǎn)出發(fā)：相應(yīng)的功能模塊分布；綜合單板的性能指標(biāo)要求；成本承受能力。PCB板層就是由電源層、地層和信號(hào)層組成。層的選擇、層的相對位置以及電源、地平面的分割分布將對PCB板的布線、信號(hào)質(zhì)量、接口電路的處理以及對單板的EMC指標(biāo)起著至關(guān)重要作用，也直接影響到整臺(tái)設(shè)備的電磁兼容性。

PCB板層的布局

層數(shù)的選擇

單板由電源層、地層和信號(hào)層組成；層數(shù)也就是他們各自的數(shù)量總和。根據(jù)單板的電源、地的種類、信號(hào)線的密集程度、信號(hào)頻率、特殊布線要求的信號(hào)數(shù)量、周邊要素、成本價(jià)格等方面的綜合因素來確定單板的層數(shù)。要滿足EMC的嚴(yán)格指標(biāo)并且考慮制造成本，適當(dāng)增加地平面是PCB的EMC設(shè)計(jì)最好的方法之一。

? 單板電源層數(shù)

單板電源的層數(shù)由電源的種類、數(shù)量決定。對于單一電源供電的PCB，只需一個(gè)電源平面；對于多種電源，如需互不交錯(cuò)，可考慮采取電源層分割；對于電源互相交錯(cuò)的單板，例如器件MPC8260，需要多種電源供電，且互相交錯(cuò)，則必須考慮采用兩層或兩層以上的電源平面。

? 信號(hào)層數(shù)

通常來說，信號(hào)層數(shù)的確定由單板的功能決定。大多數(shù)有經(jīng)驗(yàn)的CAD工程師通常由EDA軟件提供布局、布線密度的參數(shù)報(bào)告，再結(jié)合板級工作頻率、特殊布線要求的信號(hào)數(shù)量以及單板的性能指標(biāo)與成本承受能力，來確定單板的信號(hào)層數(shù)。而從EMC的角度，需要考慮關(guān)鍵信號(hào)（如時(shí)鐘、復(fù)位信號(hào)等）的屏蔽或隔離來確定是否增加單板層數(shù)。

層的布局

1.EMC基本原則

? 關(guān)鍵電源平面與其對應(yīng)的地平面相鄰電源、地平面存在自身的特性阻抗，電源平面的阻抗比地平面阻抗高，將電源平面與地平面相鄰可形成耦合電容，并與PCB板上的去耦電容一起降低電源平面的阻抗，同時(shí)獲得較寬的濾波效果。通過研究發(fā)現(xiàn)，門的反轉(zhuǎn)能量首先由電源與地平面之間的電容來提供，其次才由去耦電容決定。

? 參考面的選擇應(yīng)優(yōu)選地平面電源、地平面均能用作參考平面，且有一定的屏蔽作用。但相對而言，電源平面具有較高的特性阻抗，與參考電平存在較大的電位差。從屏蔽角度考慮，地平面一般均作接地處理，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。

? 相鄰層的關(guān)鍵信號(hào)不跨分割區(qū)這樣將形成較大的信號(hào)環(huán)路，產(chǎn)生強(qiáng)的輻射和敏感度問題。

? 元件面下面有相對完整的地平面對多層板必須盡可能保持地平面的完整，通常不允許有信號(hào)線在地平面上走線。當(dāng)走線層布線密度太大時(shí)，可考慮在電源平面的邊緣走線。

? 高頻、高速、時(shí)鐘等關(guān)鍵信號(hào)有一相鄰地平面這樣設(shè)計(jì)的信號(hào)線與地線間的距離僅為線路板層間的距離，高頻電路將選擇環(huán)路面積最小的路徑流動(dòng)，因此實(shí)際的電流總在信號(hào)線正下方的地線流動(dòng)，形成最小的信號(hào)環(huán)路面積，從而減小輻射。

? 在高速電路設(shè)計(jì)中，避免電源平面層向自由空間輻射能量在這樣的設(shè)計(jì)中，所有的電源平面必須小于地平面，向內(nèi)縮進(jìn)20H（H指相鄰電源、地平面間的介質(zhì)厚度）。為了更好地實(shí)行20H規(guī)則，就要使電源和地平面間的厚度最小。

2.單層板

單板層的布局一般原則：

? 元件面下面為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供參考平面；

? 所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰；

? 盡量避免兩信號(hào)層直接相鄰；

? 主電源盡可能與其對應(yīng)地相鄰；

? 兼顧層壓結(jié)構(gòu)對稱。

3.背板

對于背板的層排布，很難控制平行長距離布線，因此對于板級工作頻率高于50MHz以上的布局原則為：

? 元件面、焊接面為完整的地平面（通常可作為屏蔽層來考慮，通過金屬化螺釘與機(jī)框形成一體的屏蔽層）；

? 無相鄰平行布線層；

? 所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰；

? 關(guān)鍵信號(hào)與地層相鄰，不跨分割區(qū)。

4.多層板

對于多層PCB板的分層，如下圖所示，從EMC角度出發(fā)并綜合其它因素，給出優(yōu)選的層設(shè)置如下表所示。

圖 多層板PCB布局圖

表 多層板布局方案

地平面的EMC主要的目的是提供一個(gè)低阻抗的地并且給電源提供最小噪聲回流。在實(shí)際布線中，兩地層之間的信號(hào)層、與地層相鄰的信號(hào)層，是PCB布線中的優(yōu)先布線層。高速線、時(shí)鐘線和總線等重要信號(hào)，應(yīng)在這些優(yōu)先信號(hào)層上布線和換層。

? 四層板布局

優(yōu)選方案1，次選方案3，見下表。四層PCB示意圖如下圖所示。

表 四層板布局方案

圖 四層PCB板布局示意圖

方案1：四層PCB板的優(yōu)選方案，在元件面下有一地平面，關(guān)鍵信號(hào)優(yōu)選布在頂層。

為了達(dá)到一定的屏蔽效果，若采用方案2，把電源、地平面放在頂層和底層，存在電源、地相距過遠(yuǎn)，電源平面阻抗較大；電源、地平面由于元件焊盤等影響，極不完整。由于參考面不完整，所以信號(hào)阻抗不連續(xù)。實(shí)際上，由于大多數(shù)的公司大量采用表面貼器件，對于器件越來越密的情況下，方案的電源、地幾乎無法作為完整的參考平面，預(yù)期的屏蔽效果很難實(shí)現(xiàn)，所以方案2使用范圍有限。

方案3：此方案同方案1類似，適用于主要器件在底層布局或關(guān)鍵信號(hào)底層布線的情況，此方案情況很少使用。

? 六層板布局

優(yōu)選方案3，備選方案4，最差EMC效果，方案2，見下表。

表 六層板布局方案

對于六層板，優(yōu)先考慮方案3。

PCB的架構(gòu)分析：

▲由于信號(hào)層與回流參考平面相鄰，S1、S2、S3相鄰地平面，有最佳的磁通抵消效果，優(yōu)選布線層S2，其次S3、S1。

▲電源平面與GND平面相鄰，平面間距離很小，有最佳的磁通抵消效果和低的電源平面阻抗。

▲主電源及其對應(yīng)的地布在4、5層，層厚設(shè)置時(shí)，增大S2-P之間的間距，縮小P-G2之間的間（相應(yīng)縮小G1-S2層之間的間距），以減小電源平面的阻抗，減少電源對S2的影響。

對于六層板，備選方案4。

PCB的架構(gòu)分析：

對于局部、少量信號(hào)要求較高的場合，方案4比方案3更適合，它能提供極佳的布線層S2。最差EMC效果，方案2。

PCB的架構(gòu)分析：

此種結(jié)構(gòu)，S1和S2相鄰，S3與S4相鄰，同時(shí)S3與S4不與地平面相鄰，磁通抵消效果差。

? 八層板布局

優(yōu)選方案2、3，次選方案1，見下表。

在單一電源的情況下，方案2與方案1相比優(yōu)勢在于沒有相鄰布線層，主電源與對應(yīng)地相鄰，保證了所有信號(hào)層與地平面相鄰。缺點(diǎn)是減少了一層布線層。

對于兩個(gè)電源的情況，推薦采用方案3，其優(yōu)點(diǎn)：沒有相鄰布線層；層壓結(jié)構(gòu)對稱；主電源與對應(yīng)的地相鄰。缺點(diǎn)：在S4應(yīng)減少關(guān)鍵布線。

表 八層板布局方案

? 十層板布局

優(yōu)選方案2、3，次選方案1、4，見下表。

方案2：對于單電源的情況，首選方案2。在成本上考慮可選方案1。

方案3：電源及其對應(yīng)地放在第六和第七層，優(yōu)選的布線層為S2、S3、S4；其次為S1、S5。為減少串?dāng)_，應(yīng)避免S2、S3層上有平行、長距離布線。

方案4：從EMC角度考慮，與方案3比，減少了一層布線層。在成本要求不高、EMC指標(biāo)要求較高、具有兩個(gè)電源層的關(guān)鍵單板的情況下，可采用這種方案。最優(yōu)布線層為S2、S3。

對于10層以上的單板，本文不再舉列。我們可以按照以上排布原則，依據(jù)實(shí)際情況來具體分析。主要根據(jù)所需的電源層數(shù)、布線層數(shù)、特殊布線要求信號(hào)的數(shù)量、電源和地的分割情況，結(jié)合以上原則靈活掌握。

表 十層板布局方案

層分布對RE測試的影響

為了體現(xiàn)層布局對EMC的影響，我們主要是針對層布局不同對輻射發(fā)射RE的測試產(chǎn)生的影響作了分析。

以測試板為6層板為例，采用第1方案和第3方案進(jìn)行布局。

從成本考慮采用單板設(shè)計(jì)：有1層電源層，4層信號(hào)層，1層地層。

表 六層板采用方案1、3的層分布

被測件的測試條件：只是給單板濾波后供48V直流電，單板使用軟件自環(huán)運(yùn)行，只是更換單板部分層布局，其他部分完全不變，單板若干塊。

測試場地條件：升降塔的天線高度為1m，天線垂直極化，單板被放在80cm高的轉(zhuǎn)臺(tái)桌面上，不轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)和天線塔，單板的元器件面正對天線，每塊單板測試位置固定（如下圖所示）。

圖 測試示意圖

測試數(shù)據(jù)（見下圖）：

第一張圖中，方案1單板布局為電源輸入-48V在頂層布線，電源地BGND在底層布線，第二層為完整的GND，第五層為電源層，并作分割。

第二張圖中，方案1單板布局為信號(hào)層在三、四層布線，同時(shí)電源輸入-48V、地BGND也在三、四層布線，第二、五層分別是完整的GND、VCC。

圖 方案1單板RE測試結(jié)果（1）

圖 方案1單板RE測試結(jié)果（2）

從測試結(jié)果很明顯看出，布局方案3（如下圖所示）在EMC測試的RE測試項(xiàng)目中，輻射發(fā)射很小，電源地阻抗對電源輻射起著主要的作用，電源地阻抗低時(shí)，低端輻射明顯減小。電源在表層比在內(nèi)層的低端輻射大，再次證實(shí)了單板的層布局不同對EMC性能會(huì)產(chǎn)生很大影響。

圖 方案3單板RE測試結(jié)果

文章來源：

《PCB板層布局與EMC》：羅宇翔、俞恢春、李思雄

《EMC心得||關(guān)于PCB多層板和高頻電源之電磁兼容分析和思考》：Adu

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