PCB板层设计与电磁兼容性的关系解析

在高速电路板设计过程中，电磁兼容性设计是一个重点，也是难点。本文从层数设计和层的布局两方面论述了如何减少耦合源传播途径等方面减少传导耦合与辐射耦合所引起的电磁干扰，提高电磁兼容性。

在设计PCB时，对于单层板和双层板而言，一般不用考虑电路板的叠层结构。只有在设计四层以上的PCB时，才需要考虑PCB的叠层设计和阻抗控制问题。今天在这里不讨论PCB的阻抗控制方面的内容，主要讨论一下PCB叠层设计和电磁兼容之间的关系。

在PCB叠层设计中，一般的参考原则是：

(1)在两个电源地层之间的信号层为最好布线层。

(2)与电源地层相邻的信号层为较好布线层。

(3)与电源正极层相邻的信号层为次级布线层。

(4)在设计叠层结构时，需要考虑电磁干扰源在空间传播特性上，距离越远，衰减越快，对信号层干扰越小的原则。

(5)电源地层具有屏蔽电磁干扰源的作用，其一方面屏蔽和抑制自身信号线产生的干扰源对外辐射，解决自身辐射发射超标的问题;另外，其对外部干扰源也具备一定的屏蔽和抑制作用。

(6)电源正极层相对电源地层而言，对电磁干扰的屏蔽较弱。

(7)一般情况下，在设计叠层结构时，最好在内部叠层设计时，让电源正极层和电源地层相邻，以提高电源的稳定性。但是，也不绝对，为了提高屏蔽效果，在信号布线较少，元器件较少的情况下，为了提高产品的电磁兼容性，在做四层板叠层设计时，把顶层和底层作为电源地层，内部两层可以设置一层信号层和一层电源正极层。

四层PCB的叠层设计一般采用顶层和底层为信号层，中间两层为电源正极和电源地层。这样的叠层设计，紧挨电源地层的信号布线层为相对较好的布线层，紧挨电源正极的信号布线层为次级布线层。一般情况下，建议把距离外壳较远的信号布线层和地层放在紧挨在一起，这样可以把敏感信号放在该信号层，把其它信号线设计在另外一层。这样做的原因是基于干扰源通过外壳引入内部时，距离信号布线层越远，信号衰减的越多，对敏感信号线的干扰相对较小。

PCB 板层设计与电磁兼容性密切相关，合理设计可显著提升电子设备的抗干扰能力和辐射控制。以下是具体关系及设计要点：

电磁兼容性核心问题

电磁兼容性(EMC)指设备在复杂电磁环境中正常工作，同时避免对其他设备造成干扰。不当的PCB设计会导致信号失真、噪音过大、系统不稳定等问题，尤其在高速电路或模数混合电路中，单面板和双面板因缺乏地线屏蔽，辐射增强且抗干扰能力下降。 ‌

层数配置原则

‌电源层‌：需根据电源数量和类型设计，单一电源可用单一电源层，高密度电路建议多个电源层分割供电。 ‌

‌信号层‌：需考虑信号特性，高频信号或特殊信号需独立分层并增加地平面屏蔽。 ‌

‌地层‌：与电源层相邻可形成耦合电容，增强屏蔽效果。 ‌

布局优化策略

‌信号层位置‌：优先选择与电源地层相邻的信号层，减少干扰。 ‌

‌叠层结构‌：四层板设计中，顶层和底层设为电源地层，内部两层分别设信号层和电源正极层，可提升屏蔽效果。 ‌

‌布线原则‌：避免长距离平行走线，减少辐射耦合路径。 ‌

成本与性能平衡

在保证电磁兼容性的前提下，需权衡成本与层数设计。例如，高频时钟信号通常需要4层以上PCB以实现有效屏蔽。 ‌

1电磁兼容

电磁兼容(EMC)是一门综合性学科，主要研究电磁干扰和抗干扰的问题。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，同时它们本身产生的电磁辐射不大于检定的极限电平，不影响其它电子设备或系统的正常运行，并达到设备与设备、系统与系统之间互不干扰、共同可靠地工作的要求。电磁兼容性 (EMC)包括两个方面：产品的电磁辐射性和抗电磁干扰性口一个好的电子产品必须考虑电磁兼容问题，既不能有电磁辐射干扰其他电子设备，又要有较低的电磁敏感度，能抵抗规定的电磁干扰。电磁干扰是电磁骚扰引起的后果，它会使电子设备、传输通道、系统和印刷板组装件的性能下降。印刷板作为电子设备的基础部件，使用中同样存在电场和磁场，有电、磁场存在就有电磁兼容问题，尤其是现代电子设备中大量采用数字电路、高速逻辑电路，信号的传输速度大大提高，这也增大了引起电磁辐射和受电磁干扰的因素，所以考虑电磁兼容问题是印刷电路板设计的重要内容。

2印刷电路板上抑制电磁干扰设计

由于PCB上的电子器件和线路的密集度不断增加，而信号的频率也不断提高，不可避免地会引入E讹(电磁兼容)和阴I(电磁干扰)的问题。

外部的传导干扰和辐射干扰对PCB上的电路基本无影响，实际上在设计中采取正确的措施常常能同时起到抗干扰和抑制发射的作用。在设计印刷电路板时，首先要根据实际需要，选择合适的印制板类型(板材和板层)，然后是确定元器件在板上的位置，再依次布局，设计地线、信号线。

2.1印刷电路板的选取

印刷电路板有单面、双面和多层板之分。单面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。多层板适用于高密度布线、高集成度芯片的高速数字电路。从电磁兼容的角度来说，多层板可以减小线路板的电磁辐射并提高线路板的抗干扰能力。因为在多层板中，可以设置专门的电源层和地层，使信号线与地线之间的距离仅为线印刷电路板的层间距离。这样板上所有信号的回路面积就可以降至最小，从而有效减小差模辐射。

2.2元器件的布局

设计印刷电路板不仅仅是简单地将各个元器件之间用印制导线连接起来，更重要的是应当考虑电路的特点和要求，正确的摆放元器件

l)按电路单元和相互有连接关系的元器件应靠近布局。以减少元器件之间的走线和连线的长度，减低辐射和干扰。

2)按电路工作频率或器件的开关速度的相对高低分区布局，从I/0端向板的远端电路工作频率依次降低分布，在较高频率区内，高速震荡器件不应靠近工/0端。

3)容易产生电磁辐射的元器件(如：时钟、震荡器等)，远离电磁敏感器件或走线，必要时采取电磁屏蔽措施。

2.3信号线的布局

信号线的布置最好根据信号的流向顺序安排，使电路板上的信号走向流畅。不相容的信号线应相互远离，不要平行走线。同一层上的信号线保持一定间距，最好以相应地线回路隔离，减少线间信号串扰。分布在不同层上的信号线走向应相互垂直，这样可以减少线间的电场和磁场祸合干扰。高速信号的回路面积尽可能小，以免发生辐射干扰。

1)高速信号线尽可能放在同一层，不要换层：2)使信号线平滑过度，避免由于线宽突变引起信号反射：3)印制线不要一部分紧邻地线走，一部分不紧邻造成阻抗突变;4)信号线不要离印制板边缘太近，否则会引起特征阻抗变化，而且容易产生边缘场，增加向外的辐射：5)对于导线特性阻抗要求严格的信号线，应采用带状线或微带线的布线形式，有利于导线宽度、厚度和绝缘层厚度调整特性阻抗;6)当电路的工作频率超过SMHz或器件的边沿数率超过sns时，应优先选用多层板，有利于降低电磁干扰;7)高速信号传输线路中过孔尽量少，并且孔径小，有利于降低孔的寄生电容，通常采用小孔径的过孔、埋孔或盲孔。

2.4地线布局

1)将数字电路与模拟电路分开。电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。

2)正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中，信号的工作频率小于1阳z，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。

3)尽量加粗接地线。若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三倍于印制电路板的允许电流。

4)地线上的隔离孔不应距离太近，隔离孔的绝缘环不能过大，以免形成无意的沟槽，影响上一层信号线的阻抗。

5)接地线构成闭环路。设计只由数字电路组成的印刷电路板的地线系统时，将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。

1电磁兼容

电磁兼容(EMC)是一门综合性学科，主要研究电磁干扰和抗干扰的问题。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，同时它们本身产生的电磁辐射不大于检定的极限电平，不影响其它电子设备或系统的正常运行，并达到设备与设备、系统与系统之间互不干扰、共同可靠地工作的要求。电磁兼容性 (EMC)包括两个方面：产品的电磁辐射性和抗电磁干扰性口一个好的电子产品必须考虑电磁兼容问题，既不能有电磁辐射干扰其他电子设备，又要有较低的电磁敏感度，能抵抗规定的电磁干扰。电磁干扰是电磁骚扰引起的后果，它会使电子设备、传输通道、系统和印刷板组装件的性能下降。印刷板作为电子设备的基础部件，使用中同样存在电场和磁场，有电、磁场存在就有电磁兼容问题，尤其是现代电子设备中大量采用数字电路、高速逻辑电路，信号的传输速度大大提高，这也增大了引起电磁辐射和受电磁干扰的因素，所以考虑电磁兼容问题是印刷电路板设计的重要内容。

2印刷电路板上抑制电磁干扰设计

由于PCB上的电子器件和线路的密集度不断增加，而信号的频率也不断提高，不可避免地会引入E讹(电磁兼容)和阴I(电磁干扰)的问题。

外部的传导干扰和辐射干扰对PCB上的电路基本无影响，实际上在设计中采取正确的措施常常能同时起到抗干扰和抑制发射的作用。在设计印刷电路板时，首先要根据实际需要，选择合适的印制板类型(板材和板层)，然后是确定元器件在板上的位置，再依次布局，设计地线、信号线。

2.1印刷电路板的选取

印刷电路板有单面、双面和多层板之分。单面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。多层板适用于高密度布线、高集成度芯片的高速数字电路。从电磁兼容的角度来说，多层板可以减小线路板的电磁辐射并提高线路板的抗干扰能力。因为在多层板中，可以设置专门的电源层和地层，使信号线与地线之间的距离仅为线印刷电路板的层间距离。这样板上所有信号的回路面积就可以降至最小，从而有效减小差模辐射。

2.2元器件的布局

设计印刷电路板不仅仅是简单地将各个元器件之间用印制导线连接起来，更重要的是应当考虑电路的特点和要求，正确的摆放元器件

l)按电路单元和相互有连接关系的元器件应靠近布局。以减少元器件之间的走线和连线的长度，减低辐射和干扰。

2)按电路工作频率或器件的开关速度的相对高低分区布局，从I/0端向板的远端电路工作频率依次降低分布，在较高频率区内，高速震荡器件不应靠近工/0端。

3)容易产生电磁辐射的元器件(如：时钟、震荡器等)，远离电磁敏感器件或走线，必要时采取电磁屏蔽措施。

2.3信号线的布局

信号线的布置最好根据信号的流向顺序安排，使电路板上的信号走向流畅。不相容的信号线应相互远离，不要平行走线。同一层上的信号线保持一定间距，最好以相应地线回路隔离，减少线间信号串扰。分布在不同层上的信号线走向应相互垂直，这样可以减少线间的电场和磁场祸合干扰。高速信号的回路面积尽可能小，以免发生辐射干扰。

1)高速信号线尽可能放在同一层，不要换层：2)使信号线平滑过度，避免由于线宽突变引起信号反射：3)印制线不要一部分紧邻地线走，一部分不紧邻造成阻抗突变;4)信号线不要离印制板边缘太近，否则会引起特征阻抗变化，而且容易产生边缘场，增加向外的辐射：5)对于导线特性阻抗要求严格的信号线，应采用带状线或微带线的布线形式，有利于导线宽度、厚度和绝缘层厚度调整特性阻抗;6)当电路的工作频率超过SMHz或器件的边沿数率超过sns时，应优先选用多层板，有利于降低电磁干扰;7)高速信号传输线路中过孔尽量少，并且孔径小，有利于降低孔的寄生电容，通常采用小孔径的过孔、埋孔或盲孔。

2.4地线布局

1)将数字电路与模拟电路分开。电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。

2)正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中，信号的工作频率小于1阳z，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。

3)尽量加粗接地线。若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三倍于印制电路板的允许电流。

4)地线上的隔离孔不应距离太近，隔离孔的绝缘环不能过大，以免形成无意的沟槽，影响上一层信号线的阻抗。

5)接地线构成闭环路。设计只由数字电路组成的印刷电路板的地线系统时，将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。

2.5印刷导线的宽度

导线宽度应以满足电气性能而又便于生产为宜，它的最小值以承受的电流而定，但最小不宜小于0.Zmln，在高密度、高精度的印刷线路中，导线宽度和间距一般可取0.3nnn;导线宽度在大电流情况下还应考虑到其温升，单面板试验表明，当铜箔厚度为SOum、导线宽度1一1.smm、通过电流为2A时，温升很小。

在DIP封装的走线间，当两脚间通过2根线时，焊盘直径可设为50mil，线宽与线距都为10耐l;当两脚间只通过1根导线时，焊盘直径可设为64011，线宽与直径都为12mil。

3软件抗干扰措施

采用看门狗电路防止由于外界干扰硬件故障及程序出错致使系统停机中断或程序进入死循环;采用软件滤波方法剔除高频脉冲干扰。

4小结

印制电路板中的电磁兼容问题很复杂，要针对具体问题采取相应的措施。设计中善于采用新的设计手段，吸取先进的设计经验，利用成熟的安装工艺，有效的减少电磁干扰。随着PCB工艺的不断提高和电磁兼容学的深入发展，其电子产品的电磁兼容性能也将会有显著的提高。