PCB科技 - 電路板廠如何解决多層PCB設計中的EMI問題

1.電源匯流排

在IC的電源引脚附近適當放置一個適當容量的電容器可以使IC輸出電壓跳變更快。 然而，問題並沒有到此為止。 由於電容器的頻率回應有限，電容器無法產生在全頻段乾淨地驅動IC輸出所需的諧波功率。 此外，在電源母線上形成的瞬態電壓將在去耦路徑的電感上形成壓降，這些瞬態電壓是主要的共模EMI干擾源。 我們應該如何解决這些問題？

至於我們的 電路板廠 關注, IC周圍的功率層可以被視為一個優秀的高頻電容器, 它可以收集離散電容器洩漏的部分能量，為清潔輸出提供高頻能量. 此外, 良好電源層的電感應較小, 囙此，由電感合成的瞬態訊號也很小, 從而减少共模EMI.

當然，電源層和IC電源引脚之間的連接必須盡可能短，因為數位信號的上升沿越來越快，最好直接連接到IC電源引脚所在的焊盤。 這需要單獨討論。

為了控制共模EMI，電源板必須有助於解耦，並具有足够低的電感。 該電源板必須是一對設計良好的電源板。 有人可能會問，好到底有多好？ 問題的答案取決於電源的分層、層間資料和工作頻率（即IC上升時間的函數）。 通常，功率層的間距為6.mil，中間層為FR4.資料，每平方英寸功率層的等效電容約為75pF。 顯然，層間距越小，電容越大。

上升時間在100到300 ps之間的器件並不多，但根據當前IC的發展速度，上升時間在100到300 ps之間的器件將佔據很高的比例。 對於上升時間為100到300ps的電路，3mil層間距將不再適用於大多數應用。 當時，有必要使用層間距小於1密耳的分層科技，並用高介電常數的資料取代FR4介電材料。 現在，陶瓷和陶瓷塑膠可以滿足100到300 ps上升時間電路的設計要求。

雖然未來可能會使用新材料和新方法，但對於今天常見的1到3ns上升時間電路、3到6mil層間距和FR4介電材料，通常足以處理高端諧波並使瞬態訊號足够低，也就是說，共模EMI可以降低得非常低。 本文給出的PCB分層堆疊設計示例將假定層間距為3到6密耳。

2、電磁遮罩

從訊號跟踪的角度來看，一個好的分層策略應該是將所有訊號跟踪放在一層或幾層上，這些層緊挨著電源層或地面層。 對於電源來說，一個好的分層策略應該是電源層和地面層相鄰，並且電源層和地面層之間的距離盡可能小。 這就是我們所說的“分層”策略。

3.PCB堆疊

什麼堆疊策略有助於遮罩和抑制EMI？ 以下分層堆疊方案假設電源電流在單層上流動，並且單個電壓或多個電壓分佈在同一層的不同部分。 多個電源層的情况將在後面討論。

4.4層板

4層板設計存在幾個潜在問題。 首先，傳統的厚度為62密耳的四層板，即使訊號層在外層，電源層和接地層在內層，電源層和接地層之間的距離仍然過大。

如果成本要求是第一位的，您可以考慮以下兩種傳統的4層板替代方案。 這兩種解決方案都可以提高EMI抑制效能，但它們僅適用於板上元件密度足够低且元件周圍有足够面積（放置所需電源銅層）的應用。

第一種是首選解決方案. 的外層 PCB電路板 是否所有地面層, 中間兩層是訊號層/電源層. 訊號層上的電源採用寬線佈線, 可以使電源電流的路徑阻抗降低, 訊號微帶路徑的阻抗也很低. 從EMI控制的角度, 這是現時最好的4層PCB結構. 在第二個方案中, 外層使用電源和接地, 中間兩層使用訊號. 與傳統相比 4層PCB板, 此解決方案有較小的改進, 層間阻抗與傳統的4層PCB一樣差.

如果要控制跡線阻抗，上述堆疊方案必須非常小心，以便在電源和接地銅島下安排跡線。 此外，電源或接地層上的銅島應盡可能互連，以確保直流和低頻連接。

5.6層板

如果4層板上的組件密度相對較高, 最好是6層板. 然而, 中的一些堆疊方案 6層板設計 不足以遮罩電磁場, 對降低電源母線瞬態訊號的影響很小. 下麵討論兩個示例.

在第一個示例中，電源和接地分別位於第二層和第五層。 由於電源的高銅阻抗，很難控制共模EMI輻射。 然而，從訊號阻抗控制的角度來看，這種方法是非常正確的。

在第二個示例中，電源和接地分別位於第3層和第4層。 本設計解决了電源銅阻抗問題。 由於第1層和第6層的電磁遮罩效能較差，差模EMI新增。

如果兩個外層上的訊號線數量最少，且跡線長度很短（小於訊號最高諧波波長的1/20），則該設計可以解决差模EMI問題。 用銅填充外層無組件和無痕迹的區域，並將覆銅區域接地（每隔1/20波長一個間隔），這在抑制差模EMI方面特別好。 如前所述，有必要在多個點將銅區域與內部接地層連接。

一般的高性能6層板設計通常將第一層和第六層佈置為地面層，第3層和第四層用於電源和地面。 由於在電源層和接地層之間的中間有兩個雙微帶訊號線層，囙此EMI抑制能力非常好。 這種設計的缺點是只有兩個佈線層。 如前所述，如果外部跡線較短，並且銅鋪設在無跡線區域，也可以使用傳統的6層板實現相同的堆疊。

另一種6層板佈局為訊號、接地、訊號、電源、接地、訊號，可以實現高級信號完整性設計所需的環境。 訊號層與地面層相鄰，電源層與地面層成對。 顯然，缺點是層的堆疊不平衡。

這通常會給製造業帶來麻煩。 解决這個問題的辦法是用銅填充第3層的所有空白區域。 填充銅後，如果第3層的銅密度接近電源層或接地層，則該板不能嚴格算作結構平衡的電路板。 銅填充區域必須連接到電源或接地。 連接過孔之間的距離仍為1/20波長，可能不需要到處連接，但應在理想情况下連接。

6.10層PCB板

因為多層板之間的絕緣隔離層很薄, 的10或12層之間的阻抗 電路板 非常低. 只要分層和堆疊沒有問題, 可以預期良好的信號完整性. 加工和製造厚度為62密耳的12層PCB板更加困難, 能加工12層板的製造商也不多.

由於訊號層和環路層之間總是有一個絕緣層，囙此在10層電路板設計中分配中間6層來佈線訊號線的解決方案不是最好的。 此外，重要的是使訊號層與環路層相鄰，即電路板佈局為訊號、接地、訊號、訊號、電源、接地、訊號、訊號、接地和訊號。

該設計為訊號電流及其回路電流提供了良好的通路。 正確的佈線策略是在第一層上沿X方向佈線，在第3層上沿Y方向佈線，在第四層上沿X方向佈線，依此類推。 直觀地看路由，第一層1和第3層是一對分層組合，第四層和第七層是一對分層組合，第八層和第十層是最後一對分層組合。 當需要改變佈線方向時，第一層上的訊號線應通過“通孔”到達第3層，然後改變方向。 事實上，可能並不總是能够做到這一點，但作為一個設計概念，必須盡可能多地遵循它。

類似地，當訊號路由方向改變時，它應該通過過孔從第8層和第10層或從第4層到第7層。 這種佈線確保了訊號正向路徑和環路之間的最緊密耦合。 例如，如果訊號在第一層上佈線，環路在第二層上佈線且僅在第二層上佈線，則第一層上的訊號通過“通孔”傳輸到第3層。 回路仍在第二層，以保持低電感、大電容和良好電磁遮罩效能的特點。

如果實際佈線不是這樣的呢？ 例如，第一層上的訊號線穿過過孔到達第十層，然後回路訊號必須從第九層找到接地層，回路電流必須找到最近的接地過孔（例如電阻器或電容器等元件的接地引脚）。 如果附近碰巧有這樣一條通道，你真的很幸運。 如果沒有這樣緊密的通孔，電感會變大，電容會减小，電磁干擾肯定會新增。

當訊號線必須通過過孔離開當前一對佈線層到其他佈線層時，應將接地過孔放置在過孔附近，以便環路訊號可以順利返回到適當的接地層。 對於第4層和第7層的分層組合，訊號回路將從電源層或地面層（即第5層或第6層）返回，因為電源層和地面層之間的電容耦合良好，且訊號易於傳輸。

7、多電源層設計

如果同一電壓源的兩個電源層需要輸出大電流，則電路板應佈置為兩組電源層和接地層。 在這種情況下，在每對電源層和接地層之間放置一層絕緣層。 通過這種管道，我們得到了兩對阻抗相等的電源母線，它們可以分割我們期望的電流。 如果功率層的堆疊導致阻抗不相等，分流將不均勻，瞬態電壓將大得多，EMI將急劇增加。

如果電路板上有多個不同值的電源電壓，則需要相應的多個電源層。 記住為不同的電源創建自己的成對電源和接地層。 在上述兩種情况下，在確定成對電源層和接地層在電路板上的位置時，請記住製造商對平衡結構的要求。

8、總結

In view of 這個 fact that most of the 電路板 設計ed by engineers are traditional printed 電路板厚度為62密耳，無盲孔或埋入式過孔, 討論 電路板 本文中的分層和堆疊僅限於此. 對於 電路板厚度差異較大的s, 本文推薦的分層方案可能並不理想. 此外, 的處理過程 電路板 與盲孔或埋孔不同, 本文中的分層方法不適用.

在 電路板 design, 厚度, via流程和 PCB電路板 不是解决問題的關鍵. 出色的分層堆疊確保了電源匯流排的旁路和去耦, 而電源層或接地層上的瞬態電壓是使訊號和電源的電磁場最小化的關鍵. 理想的, 在訊號路由層和返回接地層之間應該有一個絕緣隔離層, and the paired layer spacing (or more than one pair) should be as small as possible. 基於這些基本概念和原則, a 電路板 能够始終滿足設計要求的. 現在IC的上升時間很短，而且會更短, 本文討論的科技對於解决EMI遮罩問題至關重要.