PCB層設(shè)計的MEC如何達到最優(yōu)效果？

PCB 的 EMC 設(shè)計考慮中，首先涉及的便是層的設(shè)置；單板的層數(shù)由電源、地的層數(shù)和信號層數(shù)組成;在產(chǎn)品的 EMC 設(shè)計中，除了元器件的選擇和電路設(shè)計之外，良好的 PCB 設(shè)計也是一個非常重要的因素。

PCB 的 EMC 設(shè)計的關(guān)鍵，是盡可能減小回流面積，讓回流路徑按照我們設(shè)計的方向流動。而層的設(shè)計是 PCB 的基礎(chǔ)，如何做好 PCB 層設(shè)計才能讓 PCB 的 EMC 效果最優(yōu)呢?

一、PCB 層的設(shè)計思路

PCB 疊層 EMC 規(guī)劃與設(shè)計思路的核心就是合理規(guī)劃信號回流路徑，盡可能減小信號從單板鏡像層的回流面積，使得磁通對消或最小化。

單板鏡像層
鏡像層是 PCB 內(nèi)部臨近信號層的一層完整的敷銅平面層(電源層、接地層)。主要有以下作用：

(1)降低回流噪聲：鏡像層可以為信號層回流提供低阻抗路徑，尤其在電源分布系統(tǒng)中有大電流流動時，鏡像層的作用更加明顯。

(2)降低 EMI：鏡像層的存在減少了信號和回流形成的閉合環(huán)的面積，降低了 EMI;

(3)降低串擾：有助于控制高速數(shù)字電路中信號走線之間的串擾問題，改變信號線距鏡像層的高度，就可以控制信號線間串擾，高度越小，串擾越小;

(4)阻抗控制，防止信號反射。

鏡像層的選擇
(1)電源、地平面都能用作參考平面，且對內(nèi)部走線有一定的屏蔽作用;

(2)相對而言，電源平面具有較高的特性阻抗，與參考電平存在較大的電勢差，同時電源平面上的高頻干擾相對比較大;

(3)從屏蔽的角度，地平面一般均作了接地的處理，并作為基準電平參考點，其屏蔽效果遠遠優(yōu)于電源平面;

(4)選擇參考平面時，應(yīng)優(yōu)選地平面，次選電源平面

二、磁通對消原理

根據(jù)麥克斯韋方程，分立的帶電體或電流，它們之間的一切電及磁作用都是通過它們之間的中間區(qū)域傳遞的，不論中間區(qū)域是真空還是實體物質(zhì)。在 PCB 中磁通總是在傳輸線中傳播的，如果射頻回流路徑平行靠近其相應(yīng)的信號路徑，則回流路徑上的磁通與信號路徑上的磁通是方向相反的，這時它們相互疊加，則得到了通量對消的效果。

三、磁通對消的本質(zhì)

磁通對消的本質(zhì)就是信號回流路徑的控制。

四、右手定則解釋磁通對消效果

如何用右手定則來解釋信號層與地層相鄰時磁通對消效果，解釋如下：

(1)當導(dǎo)線上有電流流過時，導(dǎo)線周圍便會產(chǎn)生磁場，磁場的方向以右手定則來確定。

(2)當有兩條彼此靠近且平行的導(dǎo)線，其中一個導(dǎo)體的電流向外流出，另一個導(dǎo)體的電流向內(nèi)流入，如果流過這兩根導(dǎo)線的電流分別是信號電流和它的回流電流，那么這兩個電流是大小相等方向相反的，所以它們的磁場也是大小相等，而方向是相反的，因此能相互抵消。

五、六層板設(shè)計實例

對于六層板，優(yōu)先考慮方案 3

分析：
（1）由于信號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)選布線層 S2，其次 S3、S1。

（2）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。

（3）主電源及其對應(yīng)的地布在 4、5 層，層厚設(shè)置時，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 S2 的影響。

對于六層板，備選方案 4

分析：
對于局部、少量信號要求較高的場合，方案 4 比方案 3 更適合，它能提供極佳的布線層 S2。

最差 EMC 效果，方案 2

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

總結(jié)

PCB 層設(shè)計具體原則：
（1）元件面、焊接面下面為完整的地平面(屏蔽)；

（2）盡量避免兩信號層直接相鄰；

（3）所有信號層盡可能與地平面相鄰；

（4）高頻、高速、時鐘等關(guān)鍵信號布線層要有一相鄰地平面。

審核編輯 黃昊宇