详解PCB板层设计与电磁兼容性的关系

1.电磁兼容的一般概念

电磁兼容性是指电子设备在电磁环境中能够正常工作，同时不产生对周围设备或环境造成干扰的能力。EMC设计的目标是确保设备在复杂电磁环境下稳定可靠地运行，同时保持对周围环境的兼容性。

电磁兼容(Electro - Magnetic Compatibility，简称EMC)是一门新兴综合性学科，它主要研究电磁干扰和抗干扰问题。 电磁兼容性是指电子设备或系统在规定的电磁环境电平下，不因电磁干扰而降低性能指标，同时它们本身产生的电磁辐射不大于限定的极限电平，不影响其它系统的正常运行，并达到设备与设备、系统与系统之间互不干扰、共同可靠工作的目的。 电磁干扰( EM I)产生是由于电磁干扰源通过耦合路径将能量传递给敏感系统造成的，它包括由导线和公共地线的传导、通过空间辐射或近场耦合3种基本形式。 实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响，所以保证印制电路板电磁兼容性是整个系统设计的关键，本文主要讨论电磁兼容技术及其在多层印制线路板( Printed Circuit Board，简称PCB)设计中的应用。

PCB是电子产品中电路元件和器件的支撑件，它提供电路元件和器件之间的电气连接，是各种电子设备最基本的组成部分。 如今，大规模和超大规模集成电路已在电子设备中得到广泛应用，而且元器件在印刷电路板上的安装密度越来越高，信号的传输速度更是越来越快， 由此而引发的EMC问题也变得越来越突出。 PCB 有单面板(单层板) 、双面板(双层板)和多层板之分。 单面板和双面板一般用于低、中密度布线的电路和集成度较低的电路， 多层板使用高密度布线和集成度高的电路。 从电磁兼容的角度看单面板和双面板不适宜高速电路，单面、双面布线已满足不了高性能电路的要求，而多层布线电路的发展为解决以上问题提供了一种可能，并且其应用变得越来越广泛。

考虑的根本原因在于电磁干扰的存在。电磁干扰(Electromagnetic Interference，简称EMI)是破坏性电磁能从一个电子设备通过辐射或传导传到另一个电子设备的过程。一般来说，EMI特指射频信号(RF)，但电磁干扰可以在所有的频率范围内发生。

电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，简称EMC)是指电气和电子系统、设备和装置在设定的电磁环境中，在规定的安全界限内以设计的等级或性能运行，而不会由于电磁干扰引起损坏或不可接受到性能恶化的能力。这里所说的电磁环境是指存在于给定场所的所有电磁现象的总和。这表明电磁兼容性一方面指电子产品应具有抑制外部电磁干扰的能力;另一方面，该电子产品所产生的电磁干扰应低于限度，不得影响同一电磁环境中其他电子设备的正常工作。

现今的电子产品已经由模拟设计转为数字设计。随着数字逻辑设备的发展，与EMI和EMC相关的问题开始成为产品的焦点，并得到设计者和使用者很大的关注。美国通信委员会(FCC)在20世纪70年代中后期公布了个人电脑和类似设备的辐射标准，欧共体在其89/336/EEC电磁兼容指导性文件中提出辐射和抗干扰的强制性要求。我国也陆续制定了有关电磁兼容的国家标准和国家军用标准，例如“电磁兼容术语”(GB/T4365-1995)，“电磁干扰和电磁兼容性术语”(GJB72-85)，“无线电干扰和抗扰度测量设备规范”(GB/T6113-1995)，“电动工具、家用电器和类似器具无线电干扰特性的测量方法和允许值”(GB4343-84)。这些电磁兼容性规范大大推动了电子设计技术并提高了电子产品的可靠性和适用性。

多层印制板为了有更好的电磁兼容性设计。使得印制板在正常工作时能满足电磁兼容和敏感度标准。正确的堆叠有助于屏蔽和抑制EMI。

多层印制板设计基础

多层印制板的电磁兼容分析可以基于克希霍夫定律和法拉第电磁感应定律。

根据以上两个定律，我们得出在多层印制板分层及堆叠中应遵徇以下基本原则：

① 电源平面应尽量靠近接地平面，并应在接地平面之下。

② 布线层应安排与映象平面层相邻。

③ 电源与地层阻抗。其中电源阻抗Z0= 其中D为电源平面同地平面之间的间距。W为平面之间的面积。

④ 在中间层形成带状线，表面形成微带线。两者特性不同。

⑤ 重要信号线应紧临地层。

PCB板的堆叠与分层

① 二层板。此板仅能用于低速设计。EMC比较差。

② 四层板。由以下几种叠层顺序。下面分别把各种不同的叠层优劣作说明。

2.EMC在设计中的重要性

随着电子设备的灵敏度越来越高，并且接受微弱信号的能力越来越强，电子产品频带也越来越宽，尺寸越来越小，并且要求电子设备抗干扰能力越来越强。一些电器、电子设备工作时所产生的电磁波，容易对周围的其他电气、电子设备形成电磁干扰，引发故障或者影响信号的传输。另外，过度的电磁干扰会形成电磁污染，危害人们的身体健康，破坏生态环境。

如果在一个系统中各种用电设备能够正常工作而不致相互发生电磁干扰造成性能改变和设备的损坏，人们就称这个系统中的用电设备是相互兼容的。但是随着设备功能的多样化、结构的复杂化、功率的加大和频率的提高，同时它们的灵敏度也越来越高，这种相互兼容的状态越来越难获得。为了使系统达到电磁兼容，必须以系统的电磁环境为依据，要求每个用电设备不产生超过一定限度的电磁发射，同时又要求它本身要具备一定的抗干扰能力。只有对每一个设备都作出这两个方面的约束和改进，才能保证系统达到完全兼容。

通常认为电磁干扰的传输有两种方式：一种是传导方式;另一种是辐射方式。在实际工程中，两个设备之间发生干扰通常包含着许多种途径的耦合。正因为多种途径的耦合同时存在，反复交叉，共同产生干扰，才使得电磁干扰变得难以控制。

常见的电磁干扰主要有以下几种：

(1)射频干扰。由于现有的无线电发射机的激增，射频干扰给电子系统造成了很大的威胁。蜂窝电话、手持无线电、无线电遥控单元、寻呼机和其他类似设备现在非常普遍。造成有害的干扰并不需要很大的发生功率。典型的故障出现在射频场强为1～10V/m的范围内。在欧洲、北美和很多亚洲国家，避免射频干扰损坏其他设备已经成为对所有产品在法律上的强制性规定。

(2)静电放电(ESD)。现代芯片工艺已经有了很大的进步，在很小的几何尺寸(0.18um)上元件已经变得非常密集。这些高速的、数以百万计的晶体管微处理器的灵敏性很高，很容易受到外界静电放电影响而损坏。放电可以是直接或辐射的方式引起。直接接触放电一般引起设备性的损坏。辐射引起的静电放电可能引起设备紊乱，工作不正常。

(3)电力干扰。随着越来越多的电子设备接入电力主干网，系统会出现一些潜在地干扰。这些干扰包括电力线干扰、电快速瞬变、电涌、电压变化、闪电瞬变和电力线谐波等。对于高频开关电源来说，这些干扰变得很显著。

(4)自兼容性。一个系统的数字部分或电路可能干扰模拟设备，在导线之间产生串绕(Crosstalk)，或者一个电机可以引起数字电路的紊乱。

另外，一个在低频可以正常工作的电子产品，当频率升高时会遇到一些低频所没有的问题。比如反射、串绕、地弹、高频噪声等。

一个不符合EMC规范的电子产品不是合格的电子设计。设计产品除了满足市场功能性要求外，还必须采用适当的设计技术来预防或解除EMI的影响。

PCB设计与EMC优化的关键要点

a.排布与布线

1.分区原则：PCB应按功能模块进行合理的布局分区，避免不同模块之间的干扰。

2.信号路径优化：优化信号路径，避免信号线和功率线交叉、平行，减少互相干扰。

3.接地设计：合理设计接地结构，保证接地回路短而稳定，减少接地回流对信号的干扰。

b.电磁屏蔽

1.屏蔽层设计：在PCB设计中加入地层、电源层等屏蔽层，有效隔离不同信号层。

2.屏蔽罩：对于敏感部分，可采用金属屏蔽罩进行屏蔽，减少外部电磁场对其的影响。

c.元件选择与布局

1.低噪声元件：选择低噪声、低干扰的元件，如低噪声放大器、低噪声电源等。

2.电容与电感：合理选择电容和电感，滤除高频噪声，保证电路稳定性和信号清晰度。

d.地线设计

1.单点接地：采用单点接地设计，减少接地回流路径，避免接地回流干扰信号。

2.接地平面：在PCB内层设计大面积接地平面，提供良好的地网，减少信号线和功率线对接地的干扰。

e.EMC测试与验证

1.辐射测试：进行辐射测试，确保设备辐射水平符合国际标准要求。

2.传导测试：进行传导测试，验证设备对传导干扰的抗干扰能力。

在电路 PCB 多层电路板的设计中，信号完整性与电磁兼容性至关重要。

信号完整性直接影响电路板的正常运行。随着电子产品向高速、高频发展，信号在传输过程中的延迟、衰减和畸变问题愈发突出。多层电路板中，不同层间信号的耦合和干扰是关键因素。例如，相邻信号层之间的电磁感应可能会引发串扰，导致信号失真。为保障信号完整性，需精确计算线路的阻抗匹配，合理规划信号路径，采用合适的端接方式，如串联电阻或并联电容，以减少信号反射。同时，运用仿真软件对信号传输进行模拟分析，提前发现并解决潜在的信号完整性问题，确保信号在多层电路板内准确、稳定地传输。

电磁兼容性同样不容忽视。多层电路板工作时产生的电磁辐射可能干扰其他电子元件或外部设备，而外部的电磁干扰也可能影响电路板自身的性能。为提升电磁兼容性，一方面要优化电路板的布局，将易受干扰的敏感元件远离干扰源，如将射频部分与数字、模拟部分合理分区。另一方面，通过添加接地层和屏蔽层来抑制电磁辐射和阻挡外部干扰。接地层能有效提供回流路径，降低电磁噪声，屏蔽层则可阻断外界电磁波的侵入，保证电路板在复杂的电磁环境中正常工作，提高产品的整体稳定性和可靠性，满足日益严格的电磁兼容标准，推动电子设备向高性能、高可靠性方向发展。