通過PCB分層堆疊設計控制EMI輻射

解決 EMI 問題的方法有很多。 現代EMI抑制方法包括：采用EMI抑制涂層、選擇合適的EMI抑制部件、EMI仿真設計等。 本文從最基本的PCB布局開始，探討PCB分層堆疊在控制EMI輻射中的作用和設計技巧。

電源總線

如果在IC的電源引腳附近合理放置一個容量合適的電容，則IC輸出電壓的跳變可以更快。 然而，問題并不止于此。 由于電容器的頻率響應有限，電容器不可能在全頻段內產生干凈地驅動IC輸出所需的諧波功率。 另外，電源總線上形成的瞬態電壓會在去耦路徑中的電感兩端形成壓降，這些瞬態電壓是主要的共模EMI干擾源。 我們應該如何解決這些問題呢？

就我們電路板上的IC而言，IC周圍的供電層可以看作是一個很好的高頻電容，它可以收集分立電容泄漏的能量，為干凈的輸出提供高頻能量。 另外，優良的電源層電感較小，因此電感合成的瞬態信號較小，從而降低共模EMI。

當然，從電源層到IC電源引腳的連接必須盡可能短，因為數字信號的上升沿越來越快。 最好直接連接到IC電源引腳所在的焊盤上。 這個應該單獨討論。

為了控制共模EMI，電源層應有利于去耦并具有足夠低的電感。 這個供電層必須是一對設計良好的供電層。 有人可能會問，那有多好呢？ 這個問題的答案取決于電源的分層、層間材料以及工作頻率（即IC上升時間的函數）。 一般電源層間距為6mil，中間層采用FR4材料，因此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100～300 ps的器件并不多，但按照目前IC的發展速度，上升時間為100～300 ps的器件將占據較高比例。 對于上升時間為 100 至 300 ps 的電路，3 3mil 的層間距不再適合大多數應用。 當時需要采用層間距小于1mil的分層技術，并用高介電常數的材料替代FR4介質材料。 現在，陶瓷和陶瓷塑料可以滿足100至300 ps上升時間電路的設計要求。

雖然未來可能會使用新的材料和方法，但對于當今常見的1至3ns上升時間電路、3至6mil層間距以及FR4介電材料來說，共模EMI可以降低到非常低的水平，這些材料通常就足夠了 處理高端諧波并使瞬態信號足夠低。 本文給出的 PCB 分層堆疊設計示例將假設層間距為 3 至 6 mil。

電磁屏蔽

從信號走線的角度來看，一個好的分層策略應該是將所有信號走線放在靠近電源層或接地層的一層或幾層上。 對于電源來說，一個好的分層策略應該是電源層與地平面相鄰，并且電源層與地平面之間的距離應盡可能小。 這就是我們所說的“分層”策略。

PCB堆疊

哪些堆疊策略可以幫助屏蔽和抑制 EMI？ 以下分層堆疊方案假設電源電流在單層上流動，并且單個或多個電壓分布在同一層的不同部分。 稍后將討論多個電源層的情況。

4層板

4層板的設計存在幾個潛在的問題。 首先，對于厚度為62mil的傳統四層板，即使信號層在外層，電源層和地層在內層，電源層和地層之間的距離仍然太大 。

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。 這兩種方案都能提高EMI抑制性能，但僅適用于板上元件密度足夠低且元件周圍有足夠面積（放置所需電源覆銅層）的情況。

第一個是首選解決方案。 PCB的外層是地層，中間兩層是信號/電源層。 信號層電源采用較寬的走線，使得電源電流的路徑阻抗較低，信號微帶路徑的阻抗也較低。 從EMI控制的角度來看，這是目前最好的4層PCB結構。 第二種方案外層使用電源和地，中間兩層使用信號。 與傳統4層板相比，該方案的改進較小，層間阻抗與傳統4層板一樣差。

如果要控制走線阻抗，上述堆疊方案要非常小心，將走線布置在電源和接地銅島下方。 另外，電源或地層上的銅島應盡可能互連，以保證直流和低頻的連通性。

6層板

如果4層板上的元件密度比較大，最好采用6層板。 但6層板設計中的一些堆疊方案對電磁場的屏蔽效果不夠好，對于降低電源總線的瞬態信號效果甚微。 下面討論兩個例子。

在第一個示例中，電源和地分別放置在第二層和第五層。 由于電源的覆銅阻抗較高，對于控制共模EMI輻射非常不利。 不過，從信號阻抗控制的角度來看，這種方法是非常正確的。

在第二個例子中，電源和地分別放置在第三層和第四層。 此設計解決了電源的覆銅阻抗問題。 由于第一層和第六層的電磁屏蔽性能較差，導致差模EMI增加。 如果外層兩層信號線數量最少且走線長度很短（短于信號最高諧波波長的1/20），這種設計可以解決差模EMI問題。 如果外層無元件、無走線的區域都用銅填充，并且覆銅區域接地（每1/20波長為一個間隔），則差模EMI的抑制效果特別好。 如前所述，敷銅區域應與內部接地層多點連接。

一般情況下，第一層和第六層分層布置，第三層和第四層通電和接地。 由于電源層和接地層之間有兩層雙微帶信號線，因此EMI抑制能力極佳。 這種設計的缺點是路由層只有兩層。 前面提到，如果外層布線較短，在沒有布線的區域敷銅，傳統的6層板也可以實現同樣的堆疊。

另一種6層板布局為信號、地、信號、電源、地、信號，可實現高級信號完整性設計所需的環境。 信號層與接地層相鄰，電源層與接地層配對。 顯然，其缺點是各層堆疊不均勻。

這通常會給加工制造帶來麻煩。 解決問題的辦法是用銅填充第三層的所有空白區域。 如果填銅后第三層的覆銅密度與電源層或地平面接近，則該板可以寬松地視為具有平衡結構的電路板。 填銅區域必須連接電源或接地。 連接過孔之間的距離仍然是 1/20 波長。 不可能到處都連接它們，但理想情況下應該連接它們。

10層板

由于多層板之間的絕緣隔離層很薄，所以10層或12層電路板的層間阻抗很低。 只要分層和堆疊沒有問題，就可以獲得出色的信號完整性。