【導(dǎo)讀】EMI產(chǎn)生的原因多種多樣，不可避免。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們又必須要考慮到EMI存在的可能性。還是那句話(huà)，簡(jiǎn)單實(shí)用才是硬道理！最直接最實(shí)際的抑制EMI的手段和方式才是好方法。這節(jié)里我們將針對(duì)高速PCB設(shè)計(jì)，來(lái)分析如何進(jìn)行EMI控制。
1 傳輸線(xiàn)RLC參數(shù)和EMI
對(duì)于PCB板來(lái)說(shuō)，PCB上的每一條走線(xiàn)都可以有用三個(gè)基本的分布參數(shù)來(lái)對(duì)它進(jìn)行描述，即電阻，電容和電感。在EMI和阻抗的控制中，電感和電容的作用很大。
電容是電路系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)電能的元件。任何相鄰的兩條傳輸線(xiàn)之間，兩層PCB導(dǎo)電層之間以及電壓層和周?chē)牡仄矫嬷g都可以組成電容。在這些所有的電容中，傳輸線(xiàn)和它的回流電流之間組成的電容數(shù)值最大，也數(shù)量最多，因?yàn)槿魏蔚膫鬏斁€(xiàn)，它都會(huì)在它的周?chē)ㄟ^(guò)某種導(dǎo)電物質(zhì)形成回流。根據(jù)電容的公式：C=εs/(4kπd)，他們之間形成的電容的大小和傳輸線(xiàn)到參考平面的距離成反比，和傳輸線(xiàn)的直徑(橫截面積)成正比。我們都知道，如果電容的數(shù)值越大，那么他們之間存儲(chǔ)的電場(chǎng)能量也越多，換句話(huà)說(shuō)，他往外部泄露系統(tǒng)能量的比率將更少，那么這個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的EMI就會(huì)得到一定的抑制作用。
電感是電路系統(tǒng)中存儲(chǔ)周?chē)艌?chǎng)能量的元件。磁場(chǎng)是由流過(guò)導(dǎo)體的電流產(chǎn)生的感生場(chǎng)。電感的數(shù)值表示它存儲(chǔ)導(dǎo)體周?chē)艌?chǎng)的能力，如果磁場(chǎng)減弱，感抗就會(huì)變小，感抗變大的時(shí)候，磁場(chǎng)就會(huì)增大，那么對(duì)外的磁能量輻射也會(huì)變大，即EMI值越大。所以，如果系統(tǒng)的電感越小，那么就能對(duì)EMI進(jìn)行抑制。在低頻情況下，如果導(dǎo)體變短，厚度變大，變寬的時(shí)候，導(dǎo)體的電感就會(huì)變小，而在高頻情況下，磁場(chǎng)的大小則和導(dǎo)線(xiàn)及其回流構(gòu)成的閉環(huán)面積的函數(shù)，如果把導(dǎo)線(xiàn)與其回路靠近，由于回流和本身電流大小相等(在最佳回流狀態(tài))方向相反，所以?xún)烧弋a(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì)相互抵消，降低了導(dǎo)體的感應(yīng)電感，所以，保持導(dǎo)體上電流和其最佳回流路徑，能夠一定程度的減小EMI。
而在一個(gè)實(shí)際電路中，導(dǎo)線(xiàn)的電容和電感是融合為一體的，我們?nèi)绻环治鲭娙莼蛘咧豢紤]電感都有些片面，所以我們引入阻抗。阻抗是傳輸線(xiàn)上輸入電壓對(duì)輸入電流的比率值(Z0=V/I)。導(dǎo)線(xiàn)和回路之間的阻抗是導(dǎo)線(xiàn)及其回路之間電感和電容的函數(shù)，阻抗ZO等于(L/C)1/2。。
通過(guò)前面的分析和阻抗ZO的公式，從抑制EMI角度上來(lái)說(shuō)，我們希望阻抗越小越好。當(dāng)阻抗比較小即電容較大和電感較小的時(shí)候，我們只要保持電路的正常布線(xiàn)，使電流保持最佳回流路徑，就可以使EMI控制在最小。而當(dāng)電容變小，電感變大，將會(huì)使系統(tǒng)屏蔽電磁場(chǎng)能量的能力下降，外泄電磁場(chǎng)能量增加，EMI變大。
2疊層設(shè)計(jì)抑制EMI
從前面的分析可以看到，低阻抗的參考平面在抑制EMI中起著至關(guān)重要的作用，因而我們?cè)谶M(jìn)行疊層設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該特別注重參考平面層的安排。對(duì)于PCB板上的信號(hào)走線(xiàn)來(lái)說(shuō)，好的分層應(yīng)該是讓所有的信號(hào)層兩邊緊挨著電源層或者接地層;從電源來(lái)看，好的分層是應(yīng)該把電源與接地層相鄰，且電源和接地層的距離盡可能的小，盡量保證電源和地層上的低阻抗。隨著信號(hào)頻率的不斷提高，一般只有6層板以上的多層PCB板才能起到良好的EMI抑制效果。下面，我們以6層板為例，對(duì)不同的PCB迭層設(shè)計(jì)方案的性能優(yōu)劣做一些比較。
圖1 六層PCB的兩種典型疊層設(shè)計(jì)
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六層PCB的疊層設(shè)計(jì)通常有兩種方案(如圖1所示)。對(duì)于第一種方案，我們可以把電源和地分別放在第3和第4層，這一設(shè)計(jì)雖然電源覆銅阻抗低，但是由于第1層和第6層為信號(hào)層，其電磁屏蔽性能差，導(dǎo)線(xiàn)上的很大一部分磁場(chǎng)都要輻射到外界，換句話(huà)說(shuō)，信號(hào)電流和回流信號(hào)中，一個(gè)處于屏蔽范圍內(nèi)，而另一個(gè)卻有一半處于屏蔽范圍外，一個(gè)處于屏蔽范圍之內(nèi)，這樣其實(shí)增加了差模EMI。但是如果兩個(gè)外層上的信號(hào)線(xiàn)數(shù)量最少，走線(xiàn)長(zhǎng)度很短(短于信號(hào)最高諧波波長(zhǎng)的1/20)，則這種設(shè)計(jì)可以解決差模EMI問(wèn)題。將外層上的無(wú)元件和無(wú)走線(xiàn)區(qū)域鋪銅填充并將覆銅區(qū)接地(每1/20波長(zhǎng)為間隔)，則對(duì)差模EMI的抑制特別好。而且我們還可以條件允許的情況下，在信號(hào)層的每一層靠邊處鋪設(shè)一圈銅，并且在1/20波長(zhǎng)的間距內(nèi)打控，也能很好的防止EMI的泄漏.如前所述，要將鋪銅區(qū)與內(nèi)部接地層多點(diǎn)相聯(lián)。第二種方案就是將電源和地分別放在第2和第5層，雖然抑制了絕大部分差模EMI，但由于電源覆銅阻抗高，對(duì)減少共模EMI輻射的效果不好。此外，從信號(hào)阻抗
控制的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，這一做法也是非常有利的，因而該方案成為目前應(yīng)用最廣泛的六層板設(shè)計(jì)方案。
如果我們能夠有能力將所有的信號(hào)走線(xiàn)完全分布在兩層內(nèi)進(jìn)行，那么我們可以采用其它更優(yōu)化的疊層設(shè)計(jì)：將第1和第6層(兩個(gè)表層)鋪地，第3和第4層設(shè)置為電源和地。信號(hào)線(xiàn)走在2和5層，兩邊都有參考平面屏蔽，因而EMI抑制能力是優(yōu)異的。該設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)就是走線(xiàn)層只有兩層，布線(xiàn)空間略顯緊張。實(shí)際中要靈活處理，比如在鋪銅區(qū)內(nèi)也可以適當(dāng)走線(xiàn)，只是要注意不能隔斷上層信號(hào)的回流通路。
還有一種疊層方案為：信號(hào)、地、信號(hào)、電源、地、信號(hào)，這也可實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性設(shè)計(jì)所需要的良好的環(huán)境：信號(hào)層與參考層相鄰，電源層和接地層配對(duì)。不足之處在于鋪銅層的堆疊不平衡，這會(huì)給加工制造帶來(lái)麻煩。解決問(wèn)題的辦法是將第3層所有的空白區(qū)域填銅，填銅后如果第3層的覆銅密度接近於電源層或接地層，這塊板就可以近似地看作是結(jié)構(gòu)平衡的電路板。注意，填銅區(qū)必須接電源或接地(最好接地)，連接過(guò)孔之間的距離仍然是小于1/20波長(zhǎng)。
3 電容和接地過(guò)孔對(duì)回流的作用
高速PCB設(shè)計(jì)中對(duì)于EMI的抑制是非常靈活的，設(shè)計(jì)者永遠(yuǎn)不可能很完美地解決所有的EMI問(wèn)題，只有從小處著手，從對(duì)各個(gè)細(xì)節(jié)的把握來(lái)達(dá)到整體抑制的效果，有時(shí)，往往一個(gè)看似微不足道的電容或過(guò)孔都能起著舉足輕重的作用。也許提到電容對(duì)EMI的抑制作用大家都比較熟悉，即利用電容的儲(chǔ)能濾波特性，穩(wěn)定電壓，消除高次諧波，從而達(dá)到降低EMI的效果。在這節(jié)里，我們將重點(diǎn)分析一下電容和接地過(guò)孔在保證信號(hào)低阻抗回路中所起的作用，這也是多層PCB板設(shè)計(jì)中有效抑制EMI的重要方面之一。
多層PCB設(shè)計(jì)中，由于布線(xiàn)密度，拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)的要求，信號(hào)走線(xiàn)經(jīng)常需要在層間切換，如果它所參考的地平面也發(fā)生變化，那么該信號(hào)的回流路徑將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生一定的EMI問(wèn)題，如圖2所示：
圖2 信號(hào)換層帶來(lái)的EMI問(wèn)題
解決這一問(wèn)題最簡(jiǎn)單也是最有效的方法就是合理添加電容或過(guò)孔。如果兩個(gè)不同的參考平面都是地或都是電源，那么我們可以通過(guò)添加接地過(guò)孔或者電源連接過(guò)孔來(lái)為信號(hào)的回流提供回路(圖3 A);如果兩個(gè)參考平面是電源和地之間的切換，那么就可以利用旁路電容提供低阻抗的回路(圖3 B)。
圖3 過(guò)孔或電容提供回流通路
圖我們可以看到，在信號(hào)走線(xiàn)換層的附近多放置一些接地過(guò)孔(電源孔)和電容能為信號(hào)提供完整的低阻抗的回路，保證了信號(hào)和回流之間的耦合，從而抑制了EMI。需要注意的是，回流通過(guò)電容切換參考平面時(shí)，由于本身及過(guò)孔的寄生電感存在，仍然會(huì)產(chǎn)生一定的電磁輻射和信號(hào)衰減，所以設(shè)計(jì)者頭腦里要有一個(gè)正確的指導(dǎo)思想：盡量少換層走線(xiàn)，換層后盡量保持信號(hào)靠近同一(或者同屬性)的參考平面。
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PCB板上器件的布局，可以按照下面幾個(gè)原則來(lái)進(jìn)行：
按照器件的功能和類(lèi)型來(lái)進(jìn)行布局。對(duì)于功能相同或者相近的器件，放置在一個(gè)區(qū)域里面有利于減小他們之間的布線(xiàn)長(zhǎng)度。而且還能防止不同功能的器件在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)形成干擾。
按照電源類(lèi)型進(jìn)行布局。這個(gè)是布局中最重要的一點(diǎn)，電源類(lèi)型包括不同的電源電壓值，數(shù)字電路和模擬電路。按照不同電壓，不同電路類(lèi)型，將他們分開(kāi)布局，這樣有利于最后地的分割，數(shù)字地緊貼在數(shù)字電路下方，模擬地緊貼在模擬電路下方。這樣有利于信號(hào)的回流和兩種地平面之間的穩(wěn)定。
關(guān)于共地點(diǎn)和轉(zhuǎn)換器的放置。由于電路中很可能存在跨地信號(hào)，如果不采取什么措施，就很可能導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法回流，產(chǎn)生大量的共模和差模EMI。所以，布局的時(shí)候盡量要減少這種情況的發(fā)生，而對(duì)于非走不可的，可以考慮給模擬地和數(shù)字地選擇一個(gè)共地點(diǎn)，提供跨地信號(hào)的回流路徑。電路中有時(shí)還存在A/D或D/A器件，這些轉(zhuǎn)換器件同時(shí)由模擬和數(shù)字電源供電，因此要將轉(zhuǎn)換器放置在模擬電源和數(shù)字電源之間。
對(duì)于PCB的走線(xiàn)，我們這里建議如下一些措施來(lái)抑制EMI：
保證所有的信號(hào)尤其是高頻信號(hào)，盡可能靠近地平面(或其他參考平面)。
一般超過(guò)25MHz的PCB板設(shè)計(jì)時(shí)要考慮使用兩層(或更多的)地層。
在電源層和地層設(shè)計(jì)時(shí)滿(mǎn)足20H原則。
(由于RF電流在電源層和地層的邊緣也容易發(fā)射電磁波，解決這個(gè)問(wèn)題的最好方法就是采用20-H規(guī)則，即地平面的邊緣比電源平面大20H(H是電源到地平面的距離)。若是設(shè)計(jì)中電源的管腳在PCB的邊緣，則可以部分延展電源層以包住該管腳。)
將時(shí)鐘信號(hào)盡量走在兩層參考平面之間的信號(hào)層。
保證地平面(電源平面)上不要有人為產(chǎn)生的隔斷回流的斷槽。
在高頻器件周?chē)?，多放置些旁路電容?br />
信號(hào)走線(xiàn)時(shí)盡量不要換層，即使換層，也要保證其回路的參考平面一樣。
在信號(hào)換層的過(guò)孔附近放置一定的連接地平面層的過(guò)孔或旁路電容。
當(dāng)走線(xiàn)長(zhǎng)度(單位英寸)數(shù)值上等于器件的上升時(shí)間(單位納秒)，就要考慮添加串聯(lián)電阻。
保證時(shí)鐘信號(hào)或其他高速電路遠(yuǎn)離輸入輸出信號(hào)的走線(xiàn)區(qū)域。
盡量減少印制導(dǎo)線(xiàn)的不連續(xù)性，例如導(dǎo)線(xiàn)寬度不要突變，導(dǎo)線(xiàn)的拐角應(yīng)大于90度，信號(hào)走線(xiàn)不能呈環(huán)狀等。
在一些重要的信號(hào)線(xiàn)周?chē)梢约由媳Ｗo(hù)的地線(xiàn)，以起到隔離和屏蔽的作用。
對(duì)于跨地信號(hào)，要想辦法保證它最小回流面積。
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