PCB层叠EMC系列知识

美好的一天

介绍

PCB层叠是决定产品EMC性能的一个重要因素。良好的层叠可以非常有效地减少来自PCB环路的辐射(差模发射)，以及连接到板上的电缆的辐射(共模发射)。

另一方面，一个不好的层叠可以大大增加这两种机制的辐射。对于板层叠的考虑，有四个因素是很重要的：

1、层数；

2、使用的层的数量和类型(电源和/或地面)；

3、层的排列秩序或顺序；

4、层间的间隔。

通常只考虑到层数。在许多情况下，其他三个因素同样重要，第四项有时甚至不为PCB设计者所知。在决定层数时，应考虑以下几点：

1、布线的信号数量和成本；

2、频率；

3、产品是否必须符合Class A或Class B发射要求？

4 、PCB是在屏蔽机壳或非屏蔽机壳中；

5 、设计团队的EMC工程专业知识。

通常只考虑第一项。实际上，所有项目都是至关重要的，应当平等地加以考虑。如果要以最少的时间和最低的成本实现优化设计，最后一项就特别重要，不应忽视。

使用接地和/或电源平面的多层板相比两层板提供了显著的辐射发射减少。通常使用的经验法则是四层板产生的辐射比两层板少15dB，所有其他因素都是相等的。有平面的板比没有平面的板要好得多，原因如下：

1．它们允许信号以微带线(或带状线)的结构进行布线。这些结构是被控制的阻抗传输线，比在两层板上使用的随机走线的辐射要小得多；

2，接地平面显著降低了地面阻抗(因此也降低了地面噪声)。

虽然在20-25MHz的无屏蔽外壳中成功地使用了两层板，但这些情况是例外，而不是规则。在大约10-15MHz以上，通常应该考虑多层板。

当使用多层板时，您应该尝试实现五个目标。它们是：

1、信号层应始终与平面相邻；

2、信号层应紧密耦合(接近)到其相邻的平面；

3、电源平面和地平面应该紧密地结合在一起；

4、高速信号应埋在两个平面之间走线，平面就能起到屏蔽作用，并能抑制高速印制线的辐射；

5、多个接地平面有很多优势，因为它们将降低电路板的接地(参考平面)阻抗，减少共模辐射。

通常情况下，我们面临着在信号/平面近距离耦合(目标2)和电源/地平面近距离耦合(目标3)之间的选择。用常规的PCB结构技术，相邻电源和地平面之间的平板电容不足以在500 MHz以下提供足够的去耦。

因此，去耦必须通过其他方法来解决，我们通常应该选择信号和当前返回平面之间的紧密耦合。信号层和电流返回平面之间紧密耦合的优点将超过平面间电容轻微损失所造成的缺点。

八层板是可以用来实现上述所有五个目标的最少的层数。在四层和六层板上，上述一些目标将不得不妥协。在这些条件下，您必须确定哪些目标对手头的设计最重要。

以上段落不应被解释为你不能在一个四层或六层的板上做一个好的EMC设计，因为你可以。它只表明不能同时实现所有目标，需要作出某种妥协。

由于所有期望的EMC目标都可以通过八层板来实现，所以除了要容纳额外的信号走线层之外，没有理由使用超过八层的层数。

从机械的角度来看，另一个理想的目标是使PCB板的横截面对称(或平衡)，以防止翘曲。

例如，在一个八层板上，如果第二层是一个平面，那么第七层也应该是一个平面。

因此，这里提出的所有配置都使用对称或平衡的结构。如果不对称或不平衡的结构是允许的，则建造其它的层叠配置是可能的。

四层板

最常见的四层板结构如图1所示(电源平面和地平面可倒换)。它由四个均匀间隔的层组成，内部有电源平面和地平面，这两个外部走线层通常具有正交的走线方向。

虽然这种结构比双层板要好得多，但它有一些不太理想的特点。

关于第1部分中的目标列表，这个堆叠结构只满足目标（1）。如果层间距相等，则信号层和电流返回平面之间存在很大的间隔。电源平面和地平面也有很大的间隔。

对于一个四层板，我们不能同时纠正这两个缺陷，因此，我们必须决定哪一个对我们来说是最重要的。

如前所述，用常规的PCB制造技术，相邻电源和地平面之间的层间电容不足以提供足够的去耦。

去耦必须通过其它方法来处理，我们应该选择信号和电流返回平面之间的紧密耦合。信号层和电流返回平面之间紧密耦合的优点将超过层间电容轻微损失所带来的缺点。

因此，改善四层板EMC性能的最简单的方法是尽可能地将信号层靠近平面(<10mil)，并在电源和地平面之间使用一个大的介质核(>40mil)，如图2所示。

这有三个优点，而缺点很少。信号环路面积较小，因此产生较少的差模辐射。对于布线层到平面层5mil间隔的情况，相对于等间距的层叠结构可以达到10dB或更多的环路辐射减少。

其次，信号走线与地面的紧密耦合降低了平面阻抗(电感)，从而减小了连接到板上的电缆的共模辐射。

第三，走线与平面的紧密耦合将减少走线之间的串扰。对于固定的走线间隔，串扰与走线高度的平方成正比。这是降低四层PCB辐射的最简单、最便宜、最被忽视的方法之一。

通过这种层叠结构，我们同时满足了目标(1)和(2)。

对于四层板层叠结构还有什么其它的可能性？嗯，我们可以用一点非常规的结构，即倒换图2中的信号层和平面层，产生如图3a所示的层叠。

这种叠层的主要优点是外层的平面为内部层上的信号走线提供了屏蔽。缺点是，地平面可能会很大程度地被PCB上高密度安装的元件焊盘所切割。这可以在一定程度上缓解，方法是倒转平面、放置电源平面在元件侧及放置地平面在板的另一边。

第二，有些人不喜欢有一个暴露的电源平面，第三，埋藏的信号层使板返工困难。该层叠满足目标(1)，(2)，部分满足目标(4)。

这三个问题中的两个可以通过图3b所示的层叠来缓解，其中两个外平面是地平面，电源作为走线在信号平面上布线。电源应该以栅格方式布线，在信号层使用宽迹线。

这种层叠两个额外的优点是：

(1)两个地面平面提供低得多的接地阻抗，从而减少共模电缆辐射；

(2)这两个地面平面可以在板的外围缝在一起，将所有信号迹线封闭在法拉第笼中。

从EMC的角度来看，这种层叠如果做得好可能是四层PCB中最好的层叠结构。现在我们已经满足了目标(1)，(2)，(4)和(5)，而只使用一个四层板。

图4显示了第四种可能性，不是常用的，而是一种可以表现得很好的可能性。这类似于图2，但是用地面平面代替了电源平面，并且电源作为信号层上的迹线去布线。                 

这种层叠克服了前面提到的返工问题，还由于两个地平面而提供了低的地阻抗。然而，这些平面并没有提供任何屏蔽。此配置满足目标(1)、(2)和(5)，但不满足目标(3)或(4)。

所以，正如你所看到的还有比你最初想象的更多的选择用于四层板层叠，有可能用四层PCB来满足我们五个目标中的四个。从EMC的角度来看，图2、图3b和图4的层叠都可以工作得很好。

六层板

大多数六层板由四个信号走线层和两个平面层组成，从EMC的角度来看，六层板通常优于四层板。

图5中所示的是一个在六层板上不能使用的层叠结构。

这些平面不为信号层提供屏蔽，且其中两个信号层(1和6)不相邻于一个平面。只有当所有的高频信号都在第2层和第5层走线，并且只有非常低的频率信号，或者更好的情况是根本没有信号线(只是安装焊盘)布在第1层和第6层时，这种安排才能正常工作。

如果使用，第1层和第6层上的任何未使用的区域都应该铺地，并在尽可能多的位置用vias连接在主地面上。

这个配置仅仅满足我们原始目标中的1个（目标3）。

在六层可用的情况下，为高速信号提供两个埋层的原则(如图3所示)很容易实现，如图6所示。这种配置还提供了两个用于走低速信号的表面层。

这可能是最常见的六层层叠结构且如果做的好可以很有效地控制电磁发射。此配置满足目标1,2,4，但不满足目标3,5。它的主要缺点是电源平面和地平面的分离。

由于这个分离，电源平面和地平面之间没有很大的平面间电容，因此必须仔细进行去耦设计来应对这一情况。有关去耦的更多信息，请参阅我们的去耦技术小窍门。

一个几乎相同的、性能良好的六层板层叠结构见图7。

H1表示信号1的水平走线层，V1表示信号1的垂直走线层，H2和V2对于信号2表示相同意思，这种结构的优点是正交走线信号总是参考同一平面。

要理解为什么这很重要，请参阅第6部分中关于信号换参考平面的部分。缺点是第一层和第六层的信号没有屏蔽。

因此，信号层应非常靠近其相邻的平面，并且使用较厚的中间芯层来组成所需的板厚。0.060英寸厚板的典型间距可能是0.005"/0.005"/0.040"/0.005"/0.005"/0.005"。这种结构满足目标1和目标2，但不满足目标3、4或5。

另一个性能优良的六层板如图8所示。它提供了两个信号埋层和相邻的电源和地平面，满足所有五个目标。然而，最大的缺点是它只有两个走线层，因此不经常使用。

六层板比四层板更容易获得良好的电磁兼容性能。我们也有四个信号走线层的优势，而不是局限于两个。

正如四层电路板的情况一样，六层PCB可以满足我们五个目标中的四个。如果我们将自己限制在两个信号走线层，这五个目标都可以满足。从EMC的角度来看，图6、图7和图8的结构都可以很好地工作。