從EMC（電磁兼容）設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，PCB板的EMC設(shè)計(jì)是EMC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。而PCB板EMC設(shè)計(jì)的開(kāi)始階段就是層的設(shè)置，層設(shè)計(jì)形式的不合理，就可能產(chǎn)生諸多的噪聲而形成EMI干擾和自身的EMC問(wèn)題，所以合理的層布局與電路設(shè)計(jì)同樣重要。

要使PCB系統(tǒng)的層布局達(dá)到其電磁兼容性要求，通常系統(tǒng)層布局需要從三點(diǎn)出發(fā)：相應(yīng)的功能模塊分布；綜合單板的性能指標(biāo)要求；成本承受能力。PCB板層就是由電源層、地層和信號(hào)層組成。層的選擇、層的相對(duì)位置以及電源、地平面的分割分布將對(duì)PCB板的布線(xiàn)、信號(hào)質(zhì)量、接口電路的處理以及對(duì)單板的EMC指標(biāo)起著至關(guān)重要作用，也直接影響到整臺(tái)設(shè)備的電磁兼容性。

PCB板層的布局

層數(shù)的選擇

單板由電源層、地層和信號(hào)層組成；層數(shù)也就是他們各自的數(shù)量總和。根據(jù)單板的電源、地的種類(lèi)、信號(hào)線(xiàn)的密集程度、信號(hào)頻率、特殊布線(xiàn)要求的信號(hào)數(shù)量、周邊要素、成本價(jià)格等方面的綜合因素來(lái)確定單板的層數(shù)。要滿(mǎn)足EMC的嚴(yán)格指標(biāo)并且考慮制造成本，適當(dāng)增加地平面是PCB的EMC設(shè)計(jì)最好的方法之一。

? 單板電源層數(shù)

單板電源的層數(shù)由電源的種類(lèi)、數(shù)量決定。對(duì)于單一電源供電的PCB，只需一個(gè)電源平面；對(duì)于多種電源，如需互不交錯(cuò)，可考慮采取電源層分割；對(duì)于電源互相交錯(cuò)的單板，例如器件MPC8260，需要多種電源供電，且互相交錯(cuò)，則必須考慮采用兩層或兩層以上的電源平面。

? 信號(hào)層數(shù)

通常來(lái)說(shuō)，信號(hào)層數(shù)的確定由單板的功能決定。大多數(shù)有經(jīng)驗(yàn)的CAD工程師通常由EDA軟件提供布局、布線(xiàn)密度的參數(shù)報(bào)告，再結(jié)合板級(jí)工作頻率、特殊布線(xiàn)要求的信號(hào)數(shù)量以及單板的性能指標(biāo)與成本承受能力，來(lái)確定單板的信號(hào)層數(shù)。而從EMC的角度，需要考慮關(guān)鍵信號(hào)（如時(shí)鐘、復(fù)位信號(hào)等）的屏蔽或隔離來(lái)確定是否增加單板層數(shù)。

層的布局

1.EMC基本原則

? 關(guān)鍵電源平面與其對(duì)應(yīng)的地平面相鄰電源、地平面存在自身的特性阻抗，電源平面的阻抗比地平面阻抗高，將電源平面與地平面相鄰可形成耦合電容，并與PCB板上的去耦電容一起降低電源平面的阻抗，同時(shí)獲得較寬的濾波效果。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，門(mén)的反轉(zhuǎn)能量首先由電源與地平面之間的電容來(lái)提供，其次才由去耦電容決定。

? 參考面的選擇應(yīng)優(yōu)選地平面電源、地平面均能用作參考平面，且有一定的屏蔽作用。但相對(duì)而言，電源平面具有較高的特性阻抗，與參考電平存在較大的電位差。從屏蔽角度考慮，地平面一般均作接地處理，并作為基準(zhǔn)電平參考點(diǎn)，其屏蔽效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于電源平面。

? 相鄰層的關(guān)鍵信號(hào)不跨分割區(qū)這樣將形成較大的信號(hào)環(huán)路，產(chǎn)生強(qiáng)的輻射和敏感度問(wèn)題。

? 元件面下面有相對(duì)完整的地平面對(duì)多層板必須盡可能保持地平面的完整，通常不允許有信號(hào)線(xiàn)在地平面上走線(xiàn)。當(dāng)走線(xiàn)層布線(xiàn)密度太大時(shí)，可考慮在電源平面的邊緣走線(xiàn)。

? 高頻、高速、時(shí)鐘等關(guān)鍵信號(hào)有一相鄰地平面這樣設(shè)計(jì)的信號(hào)線(xiàn)與地線(xiàn)間的距離僅為線(xiàn)路板層間的距離，高頻電路將選擇環(huán)路面積最小的路徑流動(dòng)，因此實(shí)際的電流總在信號(hào)線(xiàn)正下方的地線(xiàn)流動(dòng)，形成最小的信號(hào)環(huán)路面積，從而減小輻射。

? 在高速電路設(shè)計(jì)中，避免電源平面層向自由空間輻射能量在這樣的設(shè)計(jì)中，所有的電源平面必須小于地平面，向內(nèi)縮進(jìn)20H（H指相鄰電源、地平面間的介質(zhì)厚度）。為了更好地實(shí)行20H規(guī)則，就要使電源和地平面間的厚度最小。

2.單層板

單板層的布局一般原則：

? 元件面下面為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線(xiàn)提供參考平面；

? 所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰；

? 盡量避免兩信號(hào)層直接相鄰；

? 主電源盡可能與其對(duì)應(yīng)地相鄰；

? 兼顧層壓結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)。

3.背板

對(duì)于背板的層排布，很難控制平行長(zhǎng)距離布線(xiàn)，因此對(duì)于板級(jí)工作頻率高于50MHz以上的布局原則為：

? 元件面、焊接面為完整的地平面（通?？勺鳛槠帘螌觼?lái)考慮，通過(guò)金屬化螺釘與機(jī)框形成一體的屏蔽層）；

? 無(wú)相鄰平行布線(xiàn)層；

? 所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰；

? 關(guān)鍵信號(hào)與地層相鄰，不跨分割區(qū)。

4.多層板

對(duì)于多層PCB板的分層，如下圖所示，從EMC角度出發(fā)并綜合其它因素，給出優(yōu)選的層設(shè)置如下表所示。

圖 多層板PCB布局圖

表 多層板布局方案

地平面的EMC主要的目的是提供一個(gè)低阻抗的地并且給電源提供最小噪聲回流。在實(shí)際布線(xiàn)中，兩地層之間的信號(hào)層、與地層相鄰的信號(hào)層，是PCB布線(xiàn)中的優(yōu)先布線(xiàn)層。高速線(xiàn)、時(shí)鐘線(xiàn)和總線(xiàn)等重要信號(hào)，應(yīng)在這些優(yōu)先信號(hào)層上布線(xiàn)和換層。

? 四層板布局

優(yōu)選方案1，次選方案3，見(jiàn)下表。四層PCB示意圖如下圖所示。

表 四層板布局方案

圖 四層PCB板布局示意圖

方案1：四層PCB板的優(yōu)選方案，在元件面下有一地平面，關(guān)鍵信號(hào)優(yōu)選布在頂層。

為了達(dá)到一定的屏蔽效果，若采用方案2，把電源、地平面放在頂層和底層，存在電源、地相距過(guò)遠(yuǎn)，電源平面阻抗較大；電源、地平面由于元件焊盤(pán)等影響，極不完整。由于參考面不完整，所以信號(hào)阻抗不連續(xù)。實(shí)際上，由于大多數(shù)的公司大量采用表面貼器件，對(duì)于器件越來(lái)越密的情況下，方案的電源、地幾乎無(wú)法作為完整的參考平面，預(yù)期的屏蔽效果很難實(shí)現(xiàn)，所以方案2使用范圍有限。

方案3：此方案同方案1類(lèi)似，適用于主要器件在底層布局或關(guān)鍵信號(hào)底層布線(xiàn)的情況，此方案情況很少使用。

? 六層板布局

優(yōu)選方案3，備選方案4，最差EMC效果，方案2，見(jiàn)下表。

表 六層板布局方案

對(duì)于六層板，優(yōu)先考慮方案3。

PCB的架構(gòu)分析：

▲由于信號(hào)層與回流參考平面相鄰，S1、S2、S3相鄰地平面，有最佳的磁通抵消效果，優(yōu)選布線(xiàn)層S2，其次S3、S1。

▲電源平面與GND平面相鄰，平面間距離很小，有最佳的磁通抵消效果和低的電源平面阻抗。

▲主電源及其對(duì)應(yīng)的地布在4、5層，層厚設(shè)置時(shí)，增大S2-P之間的間距，縮小P-G2之間的間（相應(yīng)縮小G1-S2層之間的間距），以減小電源平面的阻抗，減少電源對(duì)S2的影響。

對(duì)于六層板，備選方案4。

PCB的架構(gòu)分析：

對(duì)于局部、少量信號(hào)要求較高的場(chǎng)合，方案4比方案3更適合，它能提供極佳的布線(xiàn)層S2。最差EMC效果，方案2。

PCB的架構(gòu)分析：

此種結(jié)構(gòu)，S1和S2相鄰，S3與S4相鄰，同時(shí)S3與S4不與地平面相鄰，磁通抵消效果差。

? 八層板布局

優(yōu)選方案2、3，次選方案1，見(jiàn)下表。

在單一電源的情況下，方案2與方案1相比優(yōu)勢(shì)在于沒(méi)有相鄰布線(xiàn)層，主電源與對(duì)應(yīng)地相鄰，保證了所有信號(hào)層與地平面相鄰。缺點(diǎn)是減少了一層布線(xiàn)層。

對(duì)于兩個(gè)電源的情況，推薦采用方案3，其優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有相鄰布線(xiàn)層；層壓結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)；主電源與對(duì)應(yīng)的地相鄰。缺點(diǎn)：在S4應(yīng)減少關(guān)鍵布線(xiàn)。

表 八層板布局方案

? 十層板布局

優(yōu)選方案2、3，次選方案1、4，見(jiàn)下表。

方案2：對(duì)于單電源的情況，首選方案2。在成本上考慮可選方案1。

方案3：電源及其對(duì)應(yīng)地放在第六和第七層，優(yōu)選的布線(xiàn)層為S2、S3、S4；其次為S1、S5。為減少串?dāng)_，應(yīng)避免S2、S3層上有平行、長(zhǎng)距離布線(xiàn)。

方案4：從EMC角度考慮，與方案3比，減少了一層布線(xiàn)層。在成本要求不高、EMC指標(biāo)要求較高、具有兩個(gè)電源層的關(guān)鍵單板的情況下，可采用這種方案。最優(yōu)布線(xiàn)層為S2、S3。

對(duì)于10層以上的單板，本文不再舉列。我們可以按照以上排布原則，依據(jù)實(shí)際情況來(lái)具體分析。主要根據(jù)所需的電源層數(shù)、布線(xiàn)層數(shù)、特殊布線(xiàn)要求信號(hào)的數(shù)量、電源和地的分割情況，結(jié)合以上原則靈活掌握。

表 十層板布局方案

層分布對(duì)RE測(cè)試的影響

為了體現(xiàn)層布局對(duì)EMC的影響，我們主要是針對(duì)層布局不同對(duì)輻射發(fā)射RE的測(cè)試產(chǎn)生的影響作了分析。

以測(cè)試板為6層板為例，采用第1方案和第3方案進(jìn)行布局。

從成本考慮采用單板設(shè)計(jì)：有1層電源層，4層信號(hào)層，1層地層。

表 六層板采用方案1、3的層分布

被測(cè)件的測(cè)試條件：只是給單板濾波后供48V直流電，單板使用軟件自環(huán)運(yùn)行，只是更換單板部分層布局，其他部分完全不變，單板若干塊。

測(cè)試場(chǎng)地條件：升降塔的天線(xiàn)高度為1m，天線(xiàn)垂直極化，單板被放在80cm高的轉(zhuǎn)臺(tái)桌面上，不轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)和天線(xiàn)塔，單板的元器件面正對(duì)天線(xiàn)，每塊單板測(cè)試位置固定（如下圖所示）。

圖 測(cè)試示意圖

測(cè)試數(shù)據(jù)（見(jiàn)下圖）：

第一張圖中，方案1單板布局為電源輸入-48V在頂層布線(xiàn)，電源地BGND在底層布線(xiàn)，第二層為完整的GND，第五層為電源層，并作分割。

第二張圖中，方案1單板布局為信號(hào)層在三、四層布線(xiàn)，同時(shí)電源輸入-48V、地BGND也在三、四層布線(xiàn)，第二、五層分別是完整的GND、VCC。

圖 方案1單板RE測(cè)試結(jié)果（1）

圖 方案1單板RE測(cè)試結(jié)果（2）

從測(cè)試結(jié)果很明顯看出，布局方案3（如下圖所示）在EMC測(cè)試的RE測(cè)試項(xiàng)目中，輻射發(fā)射很小，電源地阻抗對(duì)電源輻射起著主要的作用，電源地阻抗低時(shí)，低端輻射明顯減小。電源在表層比在內(nèi)層的低端輻射大，再次證實(shí)了單板的層布局不同對(duì)EMC性能會(huì)產(chǎn)生很大影響。

圖 方案3單板RE測(cè)試結(jié)果

文章來(lái)源：

《PCB板層布局與EMC》：羅宇翔、俞恢春、李思雄

《EMC心得||關(guān)于PCB多層板和高頻電源之電磁兼容分析和思考》：Adu

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