在高速電路板設(shè)計(jì)過程中，電磁兼容性設(shè)計(jì)是一個(gè)重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。本文從層數(shù)設(shè)計(jì)和層的布局兩方面論述了如何減少耦合源傳播途徑等方面減少傳導(dǎo)耦合與輻射耦合所引起的電磁干擾，提高電磁兼容性。
在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，對(duì)于單層板和雙層板而言，一般不用考慮電路板的疊層結(jié)構(gòu)。只有在設(shè)計(jì)四層以上的PCB時(shí)，才需要考慮PCB的疊層設(shè)計(jì)和阻抗控制問題。今天在這里不討論P(yáng)CB的阻抗控制方面的內(nèi)容，主要討論一下PCB疊層設(shè)計(jì)和電磁兼容之間的關(guān)系。
在PCB疊層設(shè)計(jì)中，一般的參考原則是：
(1)在兩個(gè)電源地層之間的信號(hào)層為最好布線層。
(2)與電源地層相鄰的信號(hào)層為較好布線層。
(3)與電源正極層相鄰的信號(hào)層為次級(jí)布線層。
(4)在設(shè)計(jì)疊層結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮電磁干擾源在空間傳播特性上，距離越遠(yuǎn)，衰減越快，對(duì)信號(hào)層干擾越小的原則。
(5)電源地層具有屏蔽電磁干擾源的作用，其一方面屏蔽和抑制自身信號(hào)線產(chǎn)生的干擾源對(duì)外輻射，解決自身輻射發(fā)射超標(biāo)的問題;另外，其對(duì)外部干擾源也具備一定的屏蔽和抑制作用。
(6)電源正極層相對(duì)電源地層而言，對(duì)電磁干擾的屏蔽較弱。
(7)一般情況下，在設(shè)計(jì)疊層結(jié)構(gòu)時(shí)，最好在內(nèi)部疊層設(shè)計(jì)時(shí)，讓電源正極層和電源地層相鄰，以提高電源的穩(wěn)定性。但是，也不絕對(duì)，為了提高屏蔽效果，在信號(hào)布線較少，元器件較少的情況下，為了提高產(chǎn)品的電磁兼容性，在做四層板疊層設(shè)計(jì)時(shí)，把頂層和底層作為電源地層，內(nèi)部兩層可以設(shè)置一層信號(hào)層和一層電源正極層。
四層PCB的疊層設(shè)計(jì)一般采用頂層和底層為信號(hào)層，中間兩層為電源正極和電源地層。這樣的疊層設(shè)計(jì)，緊挨電源地層的信號(hào)布線層為相對(duì)較好的布線層，緊挨電源正極的信號(hào)布線層為次級(jí)布線層。一般情況下，建議把距離外殼較遠(yuǎn)的信號(hào)布線層和地層放在緊挨在一起，這樣可以把敏感信號(hào)放在該信號(hào)層，把其它信號(hào)線設(shè)計(jì)在另外一層。這樣做的原因是基于干擾源通過外殼引入內(nèi)部時(shí)，距離信號(hào)布線層越遠(yuǎn)，信號(hào)衰減的越多，對(duì)敏感信號(hào)線的干擾相對(duì)較小。
PCB 板層設(shè)計(jì)與電磁兼容性密切相關(guān)，合理設(shè)計(jì)可顯著提升電子設(shè)備的抗干擾能力和輻射控制。以下是具體關(guān)系及設(shè)計(jì)要點(diǎn)：
電磁兼容性核心問題
電磁兼容性(EMC)指設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境中正常工作，同時(shí)避免對(duì)其他設(shè)備造成干擾。不當(dāng)?shù)腜CB設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真、噪音過大、系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題，尤其在高速電路或模數(shù)混合電路中，單面板和雙面板因缺乏地線屏蔽，輻射增強(qiáng)且抗干擾能力下降。
層數(shù)配置原則
電源層：需根據(jù)電源數(shù)量和類型設(shè)計(jì)，單一電源可用單一電源層，高密度電路建議多個(gè)電源層分割供電。
信號(hào)層：需考慮信號(hào)特性，高頻信號(hào)或特殊信號(hào)需獨(dú)立分層并增加地平面屏蔽。
地層：與電源層相鄰可形成耦合電容，增強(qiáng)屏蔽效果。
布局優(yōu)化策略
信號(hào)層位置：優(yōu)先選擇與電源地層相鄰的信號(hào)層，減少干擾。
疊層結(jié)構(gòu)：四層板設(shè)計(jì)中，頂層和底層設(shè)為電源地層，內(nèi)部兩層分別設(shè)信號(hào)層和電源正極層，可提升屏蔽效果。
布線原則：避免長距離平行走線，減少輻射耦合路徑。
成本與性能平衡
在保證電磁兼容性的前提下，需權(quán)衡成本與層數(shù)設(shè)計(jì)。例如，高頻時(shí)鐘信號(hào)通常需要4層以上PCB以實(shí)現(xiàn)有效屏蔽。
1電磁兼容
電磁兼容(EMC)是一門綜合性學(xué)科，主要研究電磁干擾和抗干擾的問題。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，同時(shí)它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于檢定的極限電平，不影響其它電子設(shè)備或系統(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、共同可靠地工作的要求。電磁兼容性 (EMC)包括兩個(gè)方面：產(chǎn)品的電磁輻射性和抗電磁干擾性口一個(gè)好的電子產(chǎn)品必須考慮電磁兼容問題，既不能有電磁輻射干擾其他電子設(shè)備，又要有較低的電磁敏感度，能抵抗規(guī)定的電磁干擾。電磁干擾是電磁騷擾引起的后果，它會(huì)使電子設(shè)備、傳輸通道、系統(tǒng)和印刷板組裝件的性能下降。印刷板作為電子設(shè)備的基礎(chǔ)部件，使用中同樣存在電場和磁場，有電、磁場存在就有電磁兼容問題，尤其是現(xiàn)代電子設(shè)備中大量采用數(shù)字電路、高速邏輯電路，信號(hào)的傳輸速度大大提高，這也增大了引起電磁輻射和受電磁干擾的因素，所以考慮電磁兼容問題是印刷電路板設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。
2印刷電路板上抑制電磁干擾設(shè)計(jì)
由于PCB上的電子器件和線路的密集度不斷增加，而信號(hào)的頻率也不斷提高，不可避免地會(huì)引入E訛(電磁兼容)和陰I(電磁干擾)的問題。
外部的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾對(duì)PCB上的電路基本無影響，實(shí)際上在設(shè)計(jì)中采取正確的措施常常能同時(shí)起到抗干擾和抑制發(fā)射的作用。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，首先要根據(jù)實(shí)際需要，選擇合適的印制板類型(板材和板層)，然后是確定元器件在板上的位置，再依次布局，設(shè)計(jì)地線、信號(hào)線。
2.1印刷電路板的選取
印刷電路板有單面、雙面和多層板之分。單面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。多層板適用于高密度布線、高集成度芯片的高速數(shù)字電路。從電磁兼容的角度來說，多層板可以減小線路板的電磁輻射并提高線路板的抗干擾能力。因?yàn)樵诙鄬影逯�，可以設(shè)置專門的電源層和地層，使信號(hào)線與地線之間的距離僅為線印刷電路板的層間距離。這樣板上所有信號(hào)的回路面積就可以降至最小，從而有效減小差模輻射。
2.2元器件的布局
設(shè)計(jì)印刷電路板不僅僅是簡單地將各個(gè)元器件之間用印制導(dǎo)線連接起來，更重要的是應(yīng)當(dāng)考慮電路的特點(diǎn)和要求，正確的擺放元器件
l)按電路單元和相互有連接關(guān)系的元器件應(yīng)靠近布局。以減少元器件之間的走線和連線的長度，減低輻射和干擾。
2)按電路工作頻率或器件的開關(guān)速度的相對(duì)高低分區(qū)布局，從I/0端向板的遠(yuǎn)端電路工作頻率依次降低分布，在較高頻率區(qū)內(nèi)，高速震蕩器件不應(yīng)靠近工/0端。
3)容易產(chǎn)生電磁輻射的元器件(如：時(shí)鐘、震蕩器等)，遠(yuǎn)離電磁敏感器件或走線，必要時(shí)采取電磁屏蔽措施。
2.3信號(hào)線的布局
信號(hào)線的布置最好根據(jù)信號(hào)的流向順序安排，使電路板上的信號(hào)走向流暢。不相容的信號(hào)線應(yīng)相互遠(yuǎn)離，不要平行走線。同一層上的信號(hào)線保持一定間距，最好以相應(yīng)地線回路隔離，減少線間信號(hào)串?dāng)_。分布在不同層上的信號(hào)線走向應(yīng)相互垂直，這樣可以減少線間的電場和磁場禍合干擾。高速信號(hào)的回路面積盡可能小，以免發(fā)生輻射干擾。
1)高速信號(hào)線盡可能放在同一層，不要換層：2)使信號(hào)線平滑過度，避免由于線寬突變引起信號(hào)反射：3)印制線不要一部分緊鄰地線走，一部分不緊鄰造成阻抗突變;4)信號(hào)線不要離印制板邊緣太近，否則會(huì)引起特征阻抗變化，而且容易產(chǎn)生邊緣場，增加向外的輻射：5)對(duì)于導(dǎo)線特性阻抗要求嚴(yán)格的信號(hào)線，應(yīng)采用帶狀線或微帶線的布線形式，有利于導(dǎo)線寬度、厚度和絕緣層厚度調(diào)整特性阻抗;6)當(dāng)電路的工作頻率超過SMHz或器件的邊沿?cái)?shù)率超過sns時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用多層板，有利于降低電磁干擾;7)高速信號(hào)傳輸線路中過孔盡量少，并且孔徑小，有利于降低孔的寄生電容，通常采用小孔徑的過孔、埋孔或盲孔。
2.4地線布局
1)將數(shù)字電路與模擬電路分開。電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開，兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。
2)正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。在低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1陽z，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。
3)盡量加粗接地線。若接地線很細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應(yīng)將接地線盡量加粗，使它能通過三倍于印制電路板的允許電流。
4)地線上的隔離孔不應(yīng)距離太近，隔離孔的絕緣環(huán)不能過大，以免形成無意的溝槽，影響上一層信號(hào)線的阻抗。
5)接地線構(gòu)成閉環(huán)路。設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印刷電路板的地線系統(tǒng)時(shí)，將接地線做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。
1電磁兼容
電磁兼容(EMC)是一門綜合性學(xué)科，主要研究電磁干擾和抗干擾的問題。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，同時(shí)它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于檢定的極限電平，不影響其它電子設(shè)備或系統(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、共同可靠地工作的要求。電磁兼容性 (EMC)包括兩個(gè)方面：產(chǎn)品的電磁輻射性和抗電磁干擾性口一個(gè)好的電子產(chǎn)品必須考慮電磁兼容問題，既不能有電磁輻射干擾其他電子設(shè)備，又要有較低的電磁敏感度，能抵抗規(guī)定的電磁干擾。電磁干擾是電磁騷擾引起的后果，它會(huì)使電子設(shè)備、傳輸通道、系統(tǒng)和印刷板組裝件的性能下降。印刷板作為電子設(shè)備的基礎(chǔ)部件，使用中同樣存在電場和磁場，有電、磁場存在就有電磁兼容問題，尤其是現(xiàn)代電子設(shè)備中大量采用數(shù)字電路、高速邏輯電路，信號(hào)的傳輸速度大大提高，這也增大了引起電磁輻射和受電磁干擾的因素，所以考慮電磁兼容問題是印刷電路板設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。
2印刷電路板上抑制電磁干擾設(shè)計(jì)
由于PCB上的電子器件和線路的密集度不斷增加，而信號(hào)的頻率也不斷提高，不可避免地會(huì)引入E訛(電磁兼容)和陰I(電磁干擾)的問題。
外部的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾對(duì)PCB上的電路基本無影響，實(shí)際上在設(shè)計(jì)中采取正確的措施常常能同時(shí)起到抗干擾和抑制發(fā)射的作用。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，首先要根據(jù)實(shí)際需要，選擇合適的印制板類型(板材和板層)，然后是確定元器件在板上的位置，再依次布局，設(shè)計(jì)地線、信號(hào)線。
2.1印刷電路板的選取
印刷電路板有單面、雙面和多層板之分。單面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。多層板適用于高密度布線、高集成度芯片的高速數(shù)字電路。從電磁兼容的角度來說，多層板可以減小線路板的電磁輻射并提高線路板的抗干擾能力。因?yàn)樵诙鄬影逯�，可以設(shè)置專門的電源層和地層，使信號(hào)線與地線之間的距離僅為線印刷電路板的層間距離。這樣板上所有信號(hào)的回路面積就可以降至最小，從而有效減小差模輻射。
2.2元器件的布局
設(shè)計(jì)印刷電路板不僅僅是簡單地將各個(gè)元器件之間用印制導(dǎo)線連接起來，更重要的是應(yīng)當(dāng)考慮電路的特點(diǎn)和要求，正確的擺放元器件
l)按電路單元和相互有連接關(guān)系的元器件應(yīng)靠近布局。以減少元器件之間的走線和連線的長度，減低輻射和干擾。
2)按電路工作頻率或器件的開關(guān)速度的相對(duì)高低分區(qū)布局，從I/0端向板的遠(yuǎn)端電路工作頻率依次降低分布，在較高頻率區(qū)內(nèi)，高速震蕩器件不應(yīng)靠近工/0端。
3)容易產(chǎn)生電磁輻射的元器件(如：時(shí)鐘、震蕩器等)，遠(yuǎn)離電磁敏感器件或走線，必要時(shí)采取電磁屏蔽措施。
2.3信號(hào)線的布局
信號(hào)線的布置最好根據(jù)信號(hào)的流向順序安排，使電路板上的信號(hào)走向流暢。不相容的信號(hào)線應(yīng)相互遠(yuǎn)離，不要平行走線。同一層上的信號(hào)線保持一定間距，最好以相應(yīng)地線回路隔離，減少線間信號(hào)串?dāng)_。分布在不同層上的信號(hào)線走向應(yīng)相互垂直，這樣可以減少線間的電場和磁場禍合干擾。高速信號(hào)的回路面積盡可能小，以免發(fā)生輻射干擾。
1)高速信號(hào)線盡可能放在同一層，不要換層：2)使信號(hào)線平滑過度，避免由于線寬突變引起信號(hào)反射：3)印制線不要一部分緊鄰地線走，一部分不緊鄰造成阻抗突變;4)信號(hào)線不要離印制板邊緣太近，否則會(huì)引起特征阻抗變化，而且容易產(chǎn)生邊緣場，增加向外的輻射：5)對(duì)于導(dǎo)線特性阻抗要求嚴(yán)格的信號(hào)線，應(yīng)采用帶狀線或微帶線的布線形式，有利于導(dǎo)線寬度、厚度和絕緣層厚度調(diào)整特性阻抗;6)當(dāng)電路的工作頻率超過SMHz或器件的邊沿?cái)?shù)率超過sns時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用多層板，有利于降低電磁干擾;7)高速信號(hào)傳輸線路中過孔盡量少，并且孔徑小，有利于降低孔的寄生電容，通常采用小孔徑的過孔、埋孔或盲孔。
2.4地線布局
1)將數(shù)字電路與模擬電路分開。電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開，兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。
2)正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。在低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1陽z，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。
3)盡量加粗接地線。若接地線很細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應(yīng)將接地線盡量加粗，使它能通過三倍于印制電路板的允許電流。
4)地線上的隔離孔不應(yīng)距離太近，隔離孔的絕緣環(huán)不能過大，以免形成無意的溝槽，影響上一層信號(hào)線的阻抗。
5)接地線構(gòu)成閉環(huán)路。設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印刷電路板的地線系統(tǒng)時(shí)，將接地線做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。
2.5印刷導(dǎo)線的寬度
導(dǎo)線寬度應(yīng)以滿足電氣性能而又便于生產(chǎn)為宜，它的最小值以承受的電流而定，但最小不宜小于0.Zmln，在高密度、高精度的印刷線路中，導(dǎo)線寬度和間距一般可取0.3nnn;導(dǎo)線寬度在大電流情況下還應(yīng)考慮到其溫升，單面板試驗(yàn)表明，當(dāng)銅箔厚度為SOum、導(dǎo)線寬度1一1.smm、通過電流為2A時(shí)，溫升很小。
在DIP封裝的走線間，當(dāng)兩腳間通過2根線時(shí)，焊盤直徑可設(shè)為50mil，線寬與線距都為10耐l;當(dāng)兩腳間只通過1根導(dǎo)線時(shí)，焊盤直徑可設(shè)為64011，線寬與直徑都為12mil。
3軟件抗干擾措施
采用看門狗電路防止由于外界干擾硬件故障及程序出錯(cuò)致使系統(tǒng)停機(jī)中斷或程序進(jìn)入死循環(huán);采用軟件濾波方法剔除高頻脈沖干擾。
4小結(jié)
印制電路板中的電磁兼容問題很復(fù)雜，要針對(duì)具體問題采取相應(yīng)的措施。設(shè)計(jì)中善于采用新的設(shè)計(jì)手段，吸取先進(jìn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，利用成熟的安裝工藝，有效的減少電磁干擾。隨著PCB工藝的不斷提高和電磁兼容學(xué)的深入發(fā)展，其電子產(chǎn)品的電磁兼容性能也將會(huì)有顯著的提高。
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