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PCB板层设计与电磁兼容性研究


 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。 

关键词:PCB;电磁兼容性;层设计 

1 、绪论 




电子产品很多可靠性和稳定性的问题是有电磁兼容性设计不过关所导致的。常见的问题有信号的失真,信号噪音过大,工作过程中信号不稳定,系统容易死机,系统易受环境干扰,抗干扰能力差等。电磁兼容性设计是一项相当复杂的技术,设计到电磁学等方面的知识。本文从层设计和层布局方面论述一些经验性的技巧,给电子工程师提供一些参考。 

2 、层数的配置 




PCB板的层主要有電源层、地层和信号层,层数就是各个层数量的总和。在设计过程中,**步是对所有的源和地,以及各种信号进行统筹和分类,在分类的基础进行部署和设计。一般情况下不同的电源要分不同的层,不同的地也要有相应的地平面。各种特殊信号,如时钟高、频信号等需要单独设计层,而且需要增加地平面,对特殊信号进行屏蔽,以提高电磁兼容性。当让成本也是要考虑的因素之一,在设计过程中要在系统的电磁兼容性和成本之间找到一个平衡点。 
电源层的设计首先要考虑的是电源的类型和数量。如果是只有一个电源供电,可以考虑单一电源层。在对电源要求高的情况下也可以有多个电源层对不同层的器件供电。如果是有多个电源,可以考虑设计多个电源层,也可以在同一电源层对不同的电源进行分割。分割的前提是电源之间没有交叉,如果有交叉,则必须设计多个电源层。 
信号层层数的设计要考虑到所有信号的特性。特殊信号的分层,屏蔽是要有限考虑的问题。一般情况下是先用设计软件进行设计,然后根据具体细节进行修改。信号密度和特殊信号的完整性都必须是层数设计必须考虑的问题。对于特殊信息,在必要的情况下一定要设计地平面层作为屏蔽层。 
在通常情况下,如果不是纯粹考虑成本,不建议设计单面板或双面板。因为单面板和双面板虽然加工简单成本低,但是在信号密度比较高和信号结构比较复杂的情况下,比如高速数字电路或者模数混合电路,由于单面板没有专门的参考地线层,使得回路面积增大,辐射增强。由于缺乏有效的屏蔽,系统的抗干扰能力也降低。 

3、  PCB板层的布局设计 




在确定完信号和层之后,各个层的布局也是需要科学设计的。PCB板设计中层的布局设计遵循如下原则:


(1)将电源层平面与相应的地平面相邻。这样设计的目的是形成耦合电容,并与PCB板上的去耦电容共同作用,降低电源平面的阻抗,同时获得较宽的滤波效果。 
(2)参考层的选择非常重要,从理论上电源层和地层平面都能作为参考层,但是地平面层一般可以接地,这样屏蔽效果要比电源层好很多,所以一般情况下优先选择地平面作为参考平面。 
(3)相邻两层的关键信号不能跨分割区。否则会形成较大的信号环路,产生较强的辐射和耦合。 
(4)要保持地平面的完整性,不能在地平面走线,如果信号线密度实在太大,可以考虑在电源层的边缘走线。 
(5)在高速信号,试中信号,高频信号等关键信号的下面设计地线层,这样信号环路的路径*短,辐射*小。 
(6)高速电路设计过程中必须考虑如何处理电源的辐射和对整个系统的干扰。一般情况下要使电源层平面的面积小于地平面的面积,这样地平面可以对电源起屏蔽作用。一般要求电源平面比地平面缩进2倍的介质厚度。如果要减小电源层的缩进,就要使介质的厚度尽量小。 


在多层印制板的布局设计中要遵循的一般原则: 
(1)电源层平面应靠近接地平面,并且设计在接地平面之下。 
(2)布线层应设计与整块金属平面相邻。 
(3) 数字信号和模拟信号要有隔离设计,首先要避免数字信号和模拟信号在同一个层,如果避免不了,可以采用模拟信号和数字信号分区域布线,用开槽等方式将模拟信号区和数字信号区隔离。对模拟电源和数字电源也一样。尤其是数字电源,辐射非常大,一定要隔离并屏蔽。 
(4)在中间层的印制线条形成平面波导,在表面层形成微带线,两者传输特性不同。
(5)时钟电路和高频电路是主要的干扰和辐射源,一定要单独安排、远离敏感电路。
(6)不同层所含的杂散电流和高频辐射电流不同,布线时,不能同等看待。

4 、结语



 
通过层数设计和层的布局可以大大地提高PCB板的电磁兼容性。层数设计主要要考虑电源层和地线层、高频信号、特殊信号、敏感信号。层的布局主要要考虑各种耦合、地线及电源线布局、时钟及高速信号布局、模拟信号与数字信息布局。 

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