基于電磁兼容技術(shù)的多層PCB布線設(shè)計

摘　要:隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展以及芯片的高速化和集成化,各種電子設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)外的電磁環(huán)境更加復(fù)雜,因此在印制電路板的電路設(shè)計階段考慮電磁兼容性( EMC) 設(shè)計是非常重要的. 以12層板為例討論了多層PCB分層方法、布線的規(guī)則、地線和電源線布置以及電磁兼容性.

關(guān)鍵詞:電磁兼容;多層印刷電路板;布線;接地

電磁兼容(Electro - Magnetic Compatibility,簡稱EMC)是一門新興綜合性學(xué)科,它主要研究電磁干擾和抗干擾問題. 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指標(biāo),同時它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于限定的極限電平,不影響其它系統(tǒng)的正常運行,并達(dá)到設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互不干擾、共同可靠工作的目的. 電磁干擾( EM I)產(chǎn)生是由于電磁干擾源通過耦合路徑將能量傳遞給敏感系統(tǒng)造成的,它包括由導(dǎo)線和公共地線的傳導(dǎo)、通過空間輻射或近場耦合3種基本形式. 實踐證明,即使電路原理圖設(shè)計正確,印制電路板設(shè)計不當(dāng),也會對電子設(shè)備的可靠性產(chǎn)生不利影響,所以保證印制電路板電磁兼容性是整個系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵,本文主要討論電磁兼容技術(shù)及其在多層印制線路板( Printed Circuit Board,簡稱PCB)設(shè)計中的應(yīng)用.

PCB是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件,它提供電路元件和器件之間的電氣連接,是各種電子設(shè)備最基本的組成部分. 如今,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路已在電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用,而且元器件在印刷電路板上的安裝密度越來越高,信號的傳輸速度更是越來越快, 由此而引發(fā)的EMC問題也變得越來越突出. PCB 有單面板(單層板) 、雙面板(雙層板)和多層板之分. 單面板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, 多層板使用高密度布線和集成度高的電路. 從電磁兼容的角度看單面板和雙面板不適宜高速電路,單面、雙面布線已滿足不了高性能電路的要求,而多層布線電路的發(fā)展為解決以上問題提供了一種可能,并且其應(yīng)用變得越來越廣泛.

1　多層布線的特點

PCB是由具有多層結(jié)構(gòu)的有機和無機介質(zhì)材料組成,層之間的連接通過過孔來實現(xiàn),過孔鍍上或填充金屬材料就可以實現(xiàn)層之間的電信號導(dǎo)通. 多層布線之所以得到廣泛的應(yīng)用,究其原因,有以下特點:

(1)多層板內(nèi)部設(shè)有專用電源層、地線層. 電源層可以作為噪聲回路,降低干擾;同時電源層還為系統(tǒng)所有信號提供回路,消除公共阻抗耦合干擾. 減小了供電線路的阻抗,從而減小了公共阻抗干擾.

(2)多層板采用了專門地線層,對所有信號線而言都有專門接地線. 信號線的特性:阻抗穩(wěn)定、易匹配,減少了反射引起的波形畸變;同時,采用專門的地線層加大了信號線和地線之間的分布電容,減小了串?dāng)_.

2　印制電路板的疊層設(shè)計

2. 1　PCB的布線規(guī)則

多層電路板的電磁兼容分析可以基于克希霍夫定律和法拉第電磁感應(yīng)定律. 根據(jù)克希霍夫定律, 任何時域信號由源到負(fù)載的傳輸都必須有一個最低阻抗的路徑.

具有多層的PCB常常用于高速、高性能的系統(tǒng),其中的多層用于直流(DC)電源或地參考平面. 這些平面通常是沒有任何分割的實體平面,因為具有足夠的層用作電源或地層,因此沒有必要將不同的DC電壓置于同一層上. 該層將會用作與它們相鄰的傳輸線上信號的電流返回通路. 構(gòu)造低阻抗的電流返回通路是這些平面層最重要的EMC目標(biāo).

信號層分布在實體參考平面層之間,它們可以是對稱的帶狀線和非對稱的帶狀線. 以一個12層板為例說明多層板的結(jié)構(gòu)和布局 . 其分層結(jié)構(gòu)為T - P - S - P - S - P - S - P - S - S - P - B,“T”為頂層,“P”為參考平面層,“S”為信號層,“B”為底層. 從頂層至底層依次為第1層、第2層、??第12層. 頂層和底層用作元件的焊盤,信號在頂層和底層不應(yīng)傳輸太長的距離,以便減少來自走線的直接輻射. 不相容的信號線應(yīng)相互隔離,這樣做的目的是避免相互之間產(chǎn)生耦合干擾. 高頻與低頻、大電流與小電流、數(shù)字與模擬信號線是不相容的, 元件布置中就應(yīng)該把不相容元件放在印制板上不同的位置, 在信號線的布置上仍要注意把它們隔離. 設(shè)計時要注意以下3個問題: