1 傳輸線RLC參數和EMI

對於PCB板來說
，PCB上的每一條走線都可以有用三個基本的分布參數來對它進行描述，即電阻
，電容和電感。在EMI和阻抗的控製中，電感和電容的作用很大。

電容是電路係統存儲係統電能的元件。任何相鄰的兩條傳輸線之間，兩層PCB導dao電dian層ceng之zhi間jian以yi及ji電dian壓ya層ceng和he周zhou圍wei的de地di平ping麵mian之zhi間jian都dou可ke以yi組zu成cheng電dian容rong。在zai這zhe些xie所suo有you的de電dian容rong中zhong，傳chuan輸shu線xian和he它ta的de回hui流liu電dian流liu之zhi間jian組zu成cheng的de電dian容rong數shu值zhi最zui大da，也ye數shu量liang最zui多duo，因yin為wei任ren何he的de傳chuan輸shu線xian
，它ta都dou會hui在zai它ta的de周zhou圍wei通tong過guo某mou種zhong導dao電dian物wu質zhi形xing成cheng回hui流liu。根gen據ju電dian容rong的de公gong式shi：C=εs/(4kπd)，他們之間形成的電容的大小和傳輸線到參考平麵的距離成反比，和傳輸線的直徑(橫截麵積)成(cheng)正(zheng)比(bi)。我(wo)們(men)都(dou)知(zhi)道(dao)，如(ru)果(guo)電(dian)容(rong)的(de)數(shu)值(zhi)越(yue)大(da)，那(na)麼(me)他(ta)們(men)之(zhi)間(jian)存(cun)儲(chu)的(de)電(dian)場(chang)能(neng)量(liang)也(ye)越(yue)多(duo)，換(huan)句(ju)話(hua)說(shuo)，他(ta)往(wang)外(wai)部(bu)泄(xie)露(lu)係(xi)統(tong)能(neng)量(liang)的(de)比(bi)率(lv)將(jiang)更(geng)少(shao)，那(na)麼(me)這(zhe)個(ge)係(xi)統(tong)產(chan)生(sheng)的(de)EMI就會得到一定的抑製作用。

電(dian)感(gan)是(shi)電(dian)路(lu)係(xi)統(tong)中(zhong)存(cun)儲(chu)周(zhou)圍(wei)磁(ci)場(chang)能(neng)量(liang)的(de)元(yuan)件(jian)。磁(ci)場(chang)是(shi)由(you)流(liu)過(guo)導(dao)體(ti)的(de)電(dian)流(liu)產(chan)生(sheng)的(de)感(gan)生(sheng)場(chang)。電(dian)感(gan)的(de)數(shu)值(zhi)表(biao)示(shi)它(ta)存(cun)儲(chu)導(dao)體(ti)周(zhou)圍(wei)磁(ci)場(chang)的(de)能(neng)力(li)，如(ru)果(guo)磁(ci)場(chang)減(jian)弱(ruo)，感(gan)抗(kang)就(jiu)會(hui)變(bian)小(xiao)，感(gan)抗(kang)變(bian)大(da)的(de)時(shi)候(hou)，磁(ci)場(chang)就(jiu)會(hui)增(zeng)大(da)

，那(na)麼(me)對(dui)外(wai)的(de)磁(ci)能(neng)量(liang)輻(fu)射(she)也(ye)會(hui)變(bian)大(da)
，即(ji)EMI值越大。所以，如果係統的電感越小

，那麼就能對EMI進行抑製。在低頻情況下
，如果導體變短
，厚度變大
，變寬的時候
，導體的電感就會變小
，而在高頻情況下

，磁場的大小則和導線及其回流構成的閉環麵積的函數，如果把導線與其回路靠近，由於回流和本身電流大小相等(在最佳回流狀態)方(fang)向(xiang)相(xiang)反(fan)
，所(suo)以(yi)兩(liang)者(zhe)產(chan)生(sheng)的(de)磁(ci)場(chang)就(jiu)會(hui)相(xiang)互(hu)抵(di)消(xiao)，降(jiang)低(di)了(le)導(dao)體(ti)的(de)感(gan)應(ying)電(dian)感(gan)
，所(suo)以(yi)
，保(bao)持(chi)導(dao)體(ti)上(shang)電(dian)流(liu)和(he)其(qi)最(zui)佳(jia)回(hui)流(liu)路(lu)徑(jing)
，能(neng)夠(gou)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)的(de)減(jian)小(xiao)EMI。

而er在zai一yi個ge實shi際ji電dian路lu中zhong，導dao線xian的de電dian容rong和he電dian感gan是shi融rong合he為wei一yi體ti的de
，我wo們men如ru果guo隻zhi分fen析xi電dian容rong或huo者zhe隻zhi考kao慮lv電dian感gan都dou有you些xie片pian麵mian
，所suo以yi我wo們men引yin入ru阻zu抗kang。阻zu抗kang是shi傳chuan輸shu線xian上shang輸shu入ru電dian壓ya對dui輸shu入ru電dian流liu的de比bi率lv值zhi(Z0=V/I)。導線和回路之間的阻抗是導線及其回路之間電感和電容的函數
，阻抗ZO等於(L/C)1/2。。
通過前麵的分析和阻抗ZO的公式
，從抑製EMIjiaodushanglaishuo
，womenxiwangzukangyuexiaoyuehao。dangzukangbijiaoxiaojidianrongjiaodahedianganjiaoxiaodeshihou
，womenzhiyaobaochidianludezhengchangbuxian
，shidianliubaochizuijiahuiliulujing，jiukeyishiEMI控製在最小。而當電容變小，電感變大
，將會使係統屏蔽電磁場能量的能力下降
，外泄電磁場能量增加，EMI變大。

2疊層設計抑製EMI

從前麵的分析可以看到
，低阻抗的參考平麵在抑製EMI中起著至關重要的作用
，因而我們在進行疊層設計時
，應該特別注重參考平麵層的安排。對於PCB板上的信號走線來說，好的分層應該是讓所有的信號層兩邊緊挨著電源層或者接地層;從(cong)電(dian)源(yuan)來(lai)看(kan)
，好(hao)的(de)分(fen)層(ceng)是(shi)應(ying)該(gai)把(ba)電(dian)源(yuan)與(yu)接(jie)地(di)層(ceng)相(xiang)鄰(lin)，且(qie)電(dian)源(yuan)和(he)接(jie)地(di)層(ceng)的(de)距(ju)離(li)盡(jin)可(ke)能(neng)的(de)小(xiao)，盡(jin)量(liang)保(bao)證(zheng)電(dian)源(yuan)和(he)地(di)層(ceng)上(shang)的(de)低(di)阻(zu)抗(kang)。隨(sui)著(zhe)信(xin)號(hao)頻(pin)率(lv)的(de)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)，一(yi)般(ban)隻(zhi)有(you)6層板以上的多層PCB板才能起到良好的EMI抑製效果。下麵


，我們以6層板為例
，對不同的PCB迭層設計方案的性能優劣做一些比較。


圖1 六層PCB的兩種典型疊層設計
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六層PCB的疊層設計通常有兩種方案(如圖1所示)。對於第一種方案
，我們可以把電源和地分別放在第3和第4層，這一設計雖然電源覆銅阻抗低
，但是由於第1層和第6層ceng為wei信xin號hao層ceng
，其qi電dian磁ci屏ping蔽bi性xing能neng差cha，導dao線xian上shang的de很hen大da一yi部bu分fen磁ci場chang都dou要yao輻fu射she到dao外wai界jie，換huan句ju話hua說shuo，信xin號hao電dian流liu和he回hui流liu信xin號hao中zhong
，一yi個ge處chu於yu屏ping蔽bi範fan圍wei內nei，而er另ling一yi個ge卻que有you一yi半ban處chu於yu屏ping蔽bi範fan圍wei外wai，一yi個ge處chu於yu屏ping蔽bi範fan圍wei之zhi內nei，這zhe樣yang其qi實shi增zeng加jia了le差cha模moEMI。但是如果兩個外層上的信號線數量最少，走線長度很短(短於信號最高諧波波長的1/20)，則這種設計可以解決差模EMI問題。將外層上的無元件和無走線區域鋪銅填充並將覆銅區接地(每1/20波長為間隔)

，則對差模EMI的抑製特別好。而且我們還可以條件允許的情況下，在信號層的每一層靠邊處鋪設一圈銅，並且在1/20波長的間距內打控，也能很好的防止EMI的泄漏.如前所述，要將鋪銅區與內部接地層多點相聯。第二種方案就是將電源和地分別放在第2和第5層，雖然抑製了絕大部分差模EMI，但由於電源覆銅阻抗高，對減少共模EMI輻射的效果不好。此外，從信號阻抗

控製的觀點來看，這一做法也是非常有利的，因而該方案成為目前應用最廣泛的六層板設計方案。

如果我們能夠有能力將所有的信號走線完全分布在兩層內進行
，那麼我們可以采用其它更優化的疊層設計：將第1和第6層(兩個表層)鋪地
，第3和第4層設置為電源和地。信號線走在2和5層
，兩邊都有參考平麵屏蔽，因而EMI抑(yi)製(zhi)能(neng)力(li)是(shi)優(you)異(yi)的(de)。該(gai)設(she)計(ji)的(de)缺(que)點(dian)就(jiu)是(shi)走(zou)線(xian)層(ceng)隻(zhi)有(you)兩(liang)層(ceng)，布(bu)線(xian)空(kong)間(jian)略(lve)顯(xian)緊(jin)張(zhang)。實(shi)際(ji)中(zhong)要(yao)靈(ling)活(huo)處(chu)理(li)
，比(bi)如(ru)在(zai)鋪(pu)銅(tong)區(qu)內(nei)也(ye)可(ke)以(yi)適(shi)當(dang)走(zou)線(xian)，隻(zhi)是(shi)要(yao)注(zhu)意(yi)不(bu)能(neng)隔(ge)斷(duan)上(shang)層(ceng)信(xin)號(hao)的(de)回(hui)流(liu)通(tong)路(lu)。

還有一種疊層方案為：信號、地、信號、電源、地、信號，這也可實現信號完整性設計所需要的良好的環境：信號層與參考層相鄰

，電源層和接地層配對。不足之處在於鋪銅層的堆疊不平衡
，這會給加工製造帶來麻煩。解決問題的辦法是將第3層所有的空白區域填銅，填銅後如果第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構平衡的電路板。注意，填銅區必須接電源或接地(最好接地)
，連接過孔之間的距離仍然是小於1/20波長。

3 電容和接地過孔對回流的作用

高速PCB設計中對於EMI的抑製是非常靈活的
，設計者永遠不可能很完美地解決所有的EMI問wen題ti，隻zhi有you從cong小xiao處chu著zhe手shou，從cong對dui各ge個ge細xi節jie的de把ba握wo來lai達da到dao整zheng體ti抑yi製zhi的de效xiao果guo
，有you時shi，往wang往wang一yi個ge看kan似si微wei不bu足zu道dao的de電dian容rong或huo過guo孔kong都dou能neng起qi著zhe舉ju足zu輕qing重zhong的de作zuo用yong。也ye許xu提ti到dao電dian容rong對duiEMI的抑製作用大家都比較熟悉，即利用電容的儲能濾波特性，穩定電壓，消除高次諧波，從而達到降低EMI的效果。在這節裏，我們將重點分析一下電容和接地過孔在保證信號低阻抗回路中所起的作用
，這也是多層PCB板設計中有效抑製EMI的重要方麵之一。

多層PCBshejizhong，youyubuxianmidu，tuobujiegoudeyaoqiu，xinhaozouxianjingchangxuyaozaicengjianqiehuan，ruguotasuocankaodedipingmianyefashengbianhua，namegaixinhaodehuiliulujingjiangfashengbianhua
，congerchanshengyidingdeEMI問題，如圖2所示：


圖2 信號換層帶來的EMI問題

解jie決jue這zhe一yi問wen題ti最zui簡jian單dan也ye是shi最zui有you效xiao的de方fang法fa就jiu是shi合he理li添tian加jia電dian容rong或huo過guo孔kong。如ru果guo兩liang個ge不bu同tong的de參can考kao平ping麵mian都dou是shi地di或huo都dou是shi電dian源yuan
，那na麼me我wo們men可ke以yi通tong過guo添tian加jia接jie地di過guo孔kong或huo者zhe電dian源yuan連lian接jie過guo孔kong來lai為wei信xin號hao的de回hui流liu提ti供gong回hui路lu(圖3 A);如果兩個參考平麵是電源和地之間的切換，那麼就可以利用旁路電容提供低阻抗的回路(圖3 B)。


圖3 過孔或電容提供回流通路

圖我們可以看到，在信號走線換層的附近多放置一些接地過孔(電源孔)和電容能為信號提供完整的低阻抗的回路
，保證了信號和回流之間的耦合
，從而抑製了EMI。需xu要yao注zhu意yi的de是shi

，回hui流liu通tong過guo電dian容rong切qie換huan參can考kao平ping麵mian時shi
，由you於yu本ben身shen及ji過guo孔kong的de寄ji生sheng電dian感gan存cun在zai，仍reng然ran會hui產chan生sheng一yi定ding的de電dian磁ci輻fu射she和he信xin號hao衰shuai減jian，所suo以yi設she計ji者zhe頭tou腦nao裏li要yao有you一yi個ge正zheng確que的de指zhi導dao思si想xiang：盡量少換層走線
，換層後盡量保持信號靠近同一(或者同屬性)的參考平麵。
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PCB板上器件的布局，可以按照下麵幾個原則來進行：

anzhaoqijiandegongnengheleixinglaijinxingbuju。duiyugongnengxiangtonghuozhexiangjindeqijian，fangzhizaiyigequyulimianyouliyujianxiaotamenzhijiandebuxianchangdu。erqiehainengfangzhibutonggongnengdeqijianzaiyigexiaoquyuneixingchengganrao。

按an照zhao電dian源yuan類lei型xing進jin行xing布bu局ju。這zhe個ge是shi布bu局ju中zhong最zui重zhong要yao的de一yi點dian，電dian源yuan類lei型xing包bao括kuo不bu同tong的de電dian源yuan電dian壓ya值zhi

，數shu字zi電dian路lu和he模mo擬ni電dian路lu。按an照zhao不bu同tong電dian壓ya
，不bu同tong電dian路lu類lei型xing
，將jiang他ta們men分fen開kai布bu局ju，這zhe樣yang有you利li於yu最zui後hou地di的de分fen割ge，數shu字zi地di緊jin貼tie在zai數shu字zi電dian路lu下xia方fang，模mo擬ni地di緊jin貼tie在zai模mo擬ni電dian路lu下xia方fang。這zhe樣yang有you利li於yu信xin號hao的de回hui流liu和he兩liang種zhong地di平ping麵mian之zhi間jian的de穩wen定ding。

關(guan)於(yu)共(gong)地(di)點(dian)和(he)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)放(fang)置(zhi)。由(you)於(yu)電(dian)路(lu)中(zhong)很(hen)可(ke)能(neng)存(cun)在(zai)跨(kua)地(di)信(xin)號(hao)，如(ru)果(guo)不(bu)采(cai)取(qu)什(shen)麼(me)措(cuo)施(shi)，就(jiu)很(hen)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)信(xin)號(hao)無(wu)法(fa)回(hui)流(liu)，產(chan)生(sheng)大(da)量(liang)的(de)共(gong)模(mo)和(he)差(cha)模(mo)EMI。所suo以yi


，布bu局ju的de時shi候hou盡jin量liang要yao減jian少shao這zhe種zhong情qing況kuang的de發fa生sheng，而er對dui於yu非fei走zou不bu可ke的de，可ke以yi考kao慮lv給gei模mo擬ni地di和he數shu字zi地di選xuan擇ze一yi個ge共gong地di點dian，提ti供gong跨kua地di信xin號hao的de回hui流liu路lu徑jing。電dian路lu中zhong有you時shi還hai存cun在zaiA/D或D/A器件，這些轉換器件同時由模擬和數字電源供電，因此要將轉換器放置在模擬電源和數字電源之間。

對於PCB的走線，我們這裏建議如下一些措施來抑製EMI：

保證所有的信號尤其是高頻信號，盡可能靠近地平麵(或其他參考平麵)。

一般超過25MHz的PCB板設計時要考慮使用兩層(或更多的)地層。

在電源層和地層設計時滿足20H原則。


(由於RF電流在電源層和地層的邊緣也容易發射電磁波，解決這個問題的最好方法就是采用20-H規則，即地平麵的邊緣比電源平麵大20H(H是電源到地平麵的距離)。若是設計中電源的管腳在PCB的邊緣，則可以部分延展電源層以包住該管腳。)

將時鍾信號盡量走在兩層參考平麵之間的信號層。

保證地平麵(電源平麵)上不要有人為產生的隔斷回流的斷槽。

在高頻器件周圍，多放置些旁路電容。

信號走線時盡量不要換層，即使換層，也要保證其回路的參考平麵一樣。

在信號換層的過孔附近放置一定的連接地平麵層的過孔或旁路電容。

當走線長度(單位英寸)數值上等於器件的上升時間(單位納秒)，就要考慮添加串聯電阻。

保證時鍾信號或其他高速電路遠離輸入輸出信號的走線區域。

盡量減少印製導線的不連續性
，例如導線寬度不要突變
，導線的拐角應大於90度，信號走線不能呈環狀等。

在一些重要的信號線周圍可以加上保護的地線，以起到隔離和屏蔽的作用。

對於跨地信號，要想辦法保證它最小回流麵積。


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