中心議題：
- PCB EMC設計的分層策略
- PCB EMC設計的布局技巧
- PCB EMC設計的布線(xiàn)規則
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除了元器件的選擇和電路設計之外，良好的印制電路板（PCB）設計在電磁兼容性中也是一個(gè)非常重要的因素。PCB EMC設計的關(guān)鍵，是盡可能減小回流面積，讓回流路徑按照設計的方向流動(dòng)。最常見(jiàn)返回電流問(wèn)題來(lái)自于參考平面的裂縫、變換參考平面層、以及流經(jīng)連接器的信號?？缃与娙萜骰蚴侨ヱ詈想娙萜骺赡芸梢越鉀Q一些問(wèn)題，但是必需要考慮到電容器、過(guò)孔、焊盤(pán)以及布線(xiàn)的總體阻抗。本講將從PCB的分層策略、布局技巧和布線(xiàn)規則三個(gè)方面，介紹EMC的PCB設計技術(shù)。
PCB分層策略
電路板設計中厚度、過(guò)孔制程和電路板的層數不是解決問(wèn)題的關(guān)鍵，優(yōu)良的分層堆疊是保證電源匯流排的旁路和去耦、使電源層或接地層上的瞬態(tài)電壓最小并將信號和電源的電磁場(chǎng)屏蔽起來(lái)的關(guān)鍵。從信號走線(xiàn)來(lái)看，好的分層策略應該是把所有的信號走線(xiàn)放在一層或若干層，這些層緊挨著(zhù)電源層或接地層。對於電源，好的分層策略應該是電源層與接地層相鄰，且電源層與接地層的距離盡可能小，這就是我們所講的“分層”策略。下面我們將具體談?wù)剝?yōu)良的PCB分層策略。
1．布線(xiàn)層的投影平面應該在其回流平面層區域內。布線(xiàn)層如果不在其回流平面層地投影區域內，在布線(xiàn)時(shí)將會(huì )有信號線(xiàn)在投影區域外，導致“邊緣輻射”問(wèn)題，并且還會(huì )導致信號回路面積地增大，導致差模輻射增大。
2．盡量避免布線(xiàn)層相鄰的設置。因為相鄰布線(xiàn)層上的平行信號走線(xiàn)會(huì )導致信號串擾，所以如果無(wú)法避免布線(xiàn)層相鄰，應該適當拉大兩布線(xiàn)層之間的層間距，縮小布線(xiàn)層與其信號回路之間的層間距。
3．相鄰平面層應避免其投影平面重疊。因為投影重疊時(shí)，層與層之間的耦合電容會(huì )導致各層之間的噪聲互相耦合。
多層板設計：
時(shí)鐘頻率超過(guò)5MHz，或信號上升時(shí)間小于5ns時(shí)，為了使信號回路面積能夠得到很好的控制，一般需要使用多層板設計。在設計多層板時(shí)應注意如下幾點(diǎn)原則：
1．關(guān)鍵布線(xiàn)層（時(shí)鐘線(xiàn)、總線(xiàn)、接口信號線(xiàn)、射頻線(xiàn)、復位信號線(xiàn)、片選信號線(xiàn)以及各種控制信號線(xiàn)等所在層）應與完整地平面相鄰，優(yōu)選兩地平面之間，如圖1所示。關(guān)鍵信號線(xiàn)一般都是強輻射或極其敏感的信號線(xiàn)，靠近地平面布線(xiàn)能夠使其信號回路面積減小，減小其輻射強度或提高抗干擾能力。
圖1 關(guān)鍵布線(xiàn)層在兩地平面之間
2．電源平面應相對于其相鄰地平面內縮（建議值5H～20H）。電源平面相對于其回流地平面內縮可以有效抑制“邊緣輻射”問(wèn)題，如圖2所示。
圖2電源平面應相對于其相鄰地平面內縮
此外，單板主工作電源平面（使用最廣泛的電源平面）應與其地平面緊鄰，以有效地減小電源電流的回路面積，如圖3所示。
圖3 電源平面應與其地平面緊鄰[page]
3．單板TOP、BOTTOM層是否無(wú)≥50MHz的信號線(xiàn)。如有，最好將高頻信號走在兩個(gè)平面層之間，以抑制其對空間的輻射。
單層板和雙層板設計：
對于單層板和雙層板的設計，主要應注意關(guān)鍵信號線(xiàn)和電源線(xiàn)的設計。電源走線(xiàn)附近必須有地線(xiàn)與其緊鄰、平行走線(xiàn)，以減小電源電流回路面積。
單層板的關(guān)鍵信號線(xiàn)兩側應該布“Guide Ground Line”，如圖4所示。雙層板的關(guān)鍵信號線(xiàn)地投影平面上應有大面積鋪地，或者同單層板地處理辦法，設計“Guide Ground Line”，如圖5所示。關(guān)鍵信號線(xiàn)兩側地“保衛地線(xiàn)”一方面可以減小信號回路面積，另外，還可以防止信號線(xiàn)與其他信號線(xiàn)之間地串擾。
圖4單層板的關(guān)鍵信號線(xiàn)兩側布“Guide Ground Line”
圖5 雙層板的關(guān)鍵信號線(xiàn)地投影平面上大面積鋪地
總的來(lái)說(shuō)，PCB板的分層可以依據下表來(lái)設計。
PCB布局技巧
PCB布局設計時(shí)，應充分遵守沿信號流向直線(xiàn)放置的設計原則，盡量避免來(lái)回環(huán)繞，如圖6所示。這樣可以避免信號直接耦合，影響信號質(zhì)量。此外，為了防止電路之間、電子元器件之間的互相干擾和耦合，電路的放置和元器件的布局應遵從如下原則：
圖 6 電路模塊沿信號流向直線(xiàn)放置[page]
1．單板上如果設計了接口“干凈地”，則濾波、隔離器件應放置在“干凈地”和工作地之間的隔離帶上。這樣可以避免濾波或隔離器件通過(guò)平面層互相耦合，削弱效果。此外，“干凈地”上，除了濾波和防護器件之外，不能放置任何其他器件。
2．多種模塊電路在同一PCB上放置時(shí)，數字電路與模擬電路、高速與低速電路應分開(kāi)布局，以避免數字電路、模擬電路、高速電路以及低速電路之間的互相干擾。另外，當線(xiàn)路板上同時(shí)存在高、中、低速電路時(shí)，為了避免高頻電路噪聲通過(guò)接口向外輻射，應該遵從圖7中的布局原則。
圖7 高、中、低速電路布局原則
3．線(xiàn)路板電源輸入口的濾波電路應應靠近接口放置，避免已經(jīng)經(jīng)過(guò)了濾波的線(xiàn)路被再次耦合。
圖8 電源輸入口的濾波電路應應靠近接口放置
4．接口電路的濾波、防護以及隔離器件靠近接口放置，如圖9所示，可以有效的實(shí)現防護、濾波和隔離的效果。如果接口處既有濾波又有防護電路，應該遵從先防護后濾波的原則。因為防護電路是用來(lái)進(jìn)行外來(lái)過(guò)壓和過(guò)流抑制的，如果將防護電路放置在濾波電路之后，濾波電路會(huì )被過(guò)壓和過(guò)流損壞。此外，由于電路的輸入輸出走線(xiàn)相互耦合時(shí)會(huì )削弱濾波、隔離或防護效果，布局時(shí)要保證濾波電路（濾波器）、隔離以及防護電路的輸入輸出線(xiàn)不要相互耦合。
圖9接口電路的濾波、防護以及隔離器件靠近接口放置[page]
5．敏感電路或器件（如復位電路等）遠離單板各邊緣特別是單板接口側邊緣至少1000mil。
6．存在較大電流變化的單元電路或器件（如電源模塊的輸入輸出端、風(fēng)扇及繼電器）附近應放置儲能和高頻濾波電容，以減小大電流回路的回路面積。
7．濾波器件需并排放置，以防止濾波后的電路被再次干擾。
8．晶體、晶振、繼電器、開(kāi)關(guān)電源等強輻射器件遠離單板接口連接器至少1000mil。這樣可將干擾直接向外輻射或在外出電纜上耦合出電流來(lái)向外輻射。
PCB布線(xiàn)規則
除了元器件的選擇和電路設計之外，良好的印制電路板（PCB）布線(xiàn)在電磁兼容性中也是一個(gè)非常重要的因素。既然PCB是系統的固有成分，在PCB布線(xiàn)中增強電磁兼容性不
會(huì )給產(chǎn)品的最終完成帶來(lái)附加費用。任何人都應記住一個(gè)拙劣的PCB布線(xiàn)能導致更多的電磁兼容問(wèn)題，而不是消除這些問(wèn)題，在很多例子中，就算加上濾波器和元器件也不能解決這些問(wèn)題。到最后，不得不對整個(gè)板子重新布線(xiàn)。因此，在開(kāi)始時(shí)養成良好的PCB布線(xiàn)習慣是最省錢(qián)的辦法。下面將對PCB布線(xiàn)的一些普遍規則和電源線(xiàn)、地線(xiàn)及信號線(xiàn)的設計策略進(jìn)行介紹，最后，根據這些規則，對空氣調節器的典型印制電路板電路提出改進(jìn)措施。
1. 布線(xiàn)分離
布線(xiàn)分離的作用是將PCB同一層內相鄰線(xiàn)路之間的串擾和噪聲耦合最小化。3W規范表明所有的信號（時(shí)鐘，視頻，音頻，復位等等）都必須象圖10所示那樣，在線(xiàn)與線(xiàn)，邊沿到邊沿間予以隔離。為了進(jìn)一步的減小磁耦合，將基準地布放在關(guān)鍵信號附近以隔離其他信號線(xiàn)上產(chǎn)生的耦合噪聲。
圖10 線(xiàn)跡隔離
2．保護與分流線(xiàn)路
設置分流和保護線(xiàn)路是對關(guān)鍵信號，比如對在一個(gè)充滿(mǎn)噪聲的環(huán)境中的系統時(shí)鐘信號進(jìn)行隔離和保護的非常有效的方法。在圖21中，PCB內的并聯(lián)或者保護線(xiàn)路是沿著(zhù)關(guān)鍵信號的線(xiàn)路布放。保護線(xiàn)路不僅隔離了由其他信號線(xiàn)上產(chǎn)生的耦合磁通，而且也將關(guān)鍵信號從與其他信號線(xiàn)的耦合中隔離開(kāi)來(lái)。分流線(xiàn)路和保護線(xiàn)路之間的不同之處在于分流線(xiàn)路不必被端接（與地連接），但是保護線(xiàn)路的兩端都必須連接到地。為了進(jìn)一步的減少耦合，多層PCB中的保護線(xiàn)路可以每隔一段就加上到地的通路。
圖11 分流和保護線(xiàn)路
3．電源線(xiàn)設計
根據印制線(xiàn)路板電流的大小，盡量加粗電源線(xiàn)寬度，減少環(huán)路電阻。同時(shí)、使電源線(xiàn)、地線(xiàn)的走向和數據傳遞的方向一致，這樣有助于增強抗噪聲能力。在單面板或雙面板中，如果電源線(xiàn)走線(xiàn)很長(cháng)，應每隔3000mil對地加去耦合電容，電容取值為10uF＋1000pF。
4．地線(xiàn)設計
地線(xiàn)設計的原則是：
(1)數字地與模擬地分開(kāi)。若線(xiàn)路板上既有邏輯電路又有線(xiàn)性電路，應使它們盡量分開(kāi)。低頻電路的地應盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線(xiàn)有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線(xiàn)應短而租，高頻元件周?chē)M量用柵格狀大面積地箔?！ ?br />
(2)接地線(xiàn)應盡量加粗。若接地線(xiàn)用很紉的線(xiàn)條，則接地電位隨電流的變化而變化，使抗噪性能降低。因此應將接地線(xiàn)加粗，使它能通過(guò)三倍于印制板上的允許電流。如有可能，接地線(xiàn)應在2~3mm以上?！ ?br />
(3)接地線(xiàn)構成閉環(huán)路。只由數字電路組成的印制板，其接地電路布成團環(huán)路大多能提高抗噪聲能力。
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5．信號線(xiàn)設計
對于關(guān)鍵信號線(xiàn)，如果單板有內部信號走線(xiàn)層，則時(shí)鐘等關(guān)鍵信號線(xiàn)布在內層，優(yōu)先考慮優(yōu)選布線(xiàn)層。另外，關(guān)鍵信號線(xiàn)一定不能跨分割區走線(xiàn)，包括過(guò)孔、焊盤(pán)導致的參考平面間隙，否則會(huì )導致信號回路面積的增大。而且關(guān)鍵信號線(xiàn)應距參考平面邊沿≥3H（H為線(xiàn)距離參考平面的高度），以抑制邊緣輻射效應。
對于時(shí)鐘線(xiàn)、總線(xiàn)、射頻線(xiàn)等強輻射信號線(xiàn)和復位信號線(xiàn)、片選信號線(xiàn)、系統控制信號等敏感信號線(xiàn)，應遠離接口外出信號線(xiàn)。從而避免強輻射信號線(xiàn)上的干擾耦合到外出信號線(xiàn)上，向外輻射；也避免接口外出信號線(xiàn)帶進(jìn)來(lái)的外來(lái)干擾耦合到敏感信號線(xiàn)上，導致系統誤操作。
對于差分信號線(xiàn)應同層、等長(cháng)、并行走線(xiàn)，保持阻抗一致，差分線(xiàn)間無(wú)其它走線(xiàn)。因為保證差分線(xiàn)對的共模阻抗相等，可以提高其抗干擾能力。
根據以上布線(xiàn)規則，對空氣調節器的典型印制電路板電路進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，如圖12所示。
圖12 改進(jìn)空氣調節器的典型印制電路板電路
總體來(lái)說(shuō)，PCB設計對EMC的改善是：在布線(xiàn)之前，先研究好回流路徑的設計方案，就有最好的成功機會(huì )，可以達成降低EMI輻射的目標。而且在還沒(méi)有動(dòng)手實(shí)際布線(xiàn)之前，變更布線(xiàn)層等都不必花費任何錢(qián)，是改善EMC最便宜的做法。
