多層PCB電路層疊結構設計研究

孫 婷，呂 星，王 媛

（西安烽火電子科技有限責任公司，陜西 西安 710000）

0 引 言

隨著電子技術的發展，電子器件的工作頻率不斷提升，電路設計規模大幅度提升，電路設計更加復雜，簡單的電路板設計已經不能完全滿足當前的市場需求，很多應用需要進行多層電路板設計[1]。而在多層PCB板設計過程中，會產生電磁兼容、電路信號完整性、線路布局、電源分配以及層疊結構等問題。由于層疊結構設計對PCB電路的電磁兼容和布線具有重要影響，因此實現PCB電路的層疊結構設計對保證電路設計質量具有重要意義。

1 PCB電路設計流程

PCB電路設計主要依據其對應的電路原理圖，依照電路原理圖完成電路設計者需要的電路功能。關于PCB電路圖的設計，需要充分了解電路中電子元器件的封裝和位置布局，綜合考慮過孔、走線以及電磁兼容等因素。PCB電路設計主要流程如圖1所示[2]。

圖1 PCB電路設計主要流程

PCB設計過程除了圖中流程環節外，在實際電路設計過程中，還需要考慮信號的完整性仿真和電磁兼容性仿真等問題。另外，在進行電路布線前，整體規劃整個系統的功能劃分，減小PCB電路占用的尺寸，同時考慮硬件系統便于升級和關鍵部件的替換功能。

電路布局過程中需要注意關鍵幾點，首先關鍵信號電路盡量不要布局在電路板邊緣，已確定了位置的電子元器件不要隨意移動，信號導線寬度盡量選用大于203.2 μm的寬度，對于高密度PCB電路設計，導線之間的間距需要大于304.8 μm。若與焊盤連接的導線寬度較小，可采用水滴狀節點對走線和焊盤進行連接，采用該種連接方案可以降低焊盤發生起皮的概率，并且焊盤和走線間的連接點不易發生斷裂。另外，PCB電路板上實施較大面積敷銅時候，需要注意在敷銅面上設置網狀開窗口，并且設置多個散熱孔，增加敷銅的散熱能力。對于高頻器件的走線，應盡量降低走線長度，以減少高頻信號產生的電子干擾，電磁干擾敏感的元器件與高頻器件間的距離應盡可能遠，輸入和輸出端盡可能分立走線。

2 多層PCB層疊結構設計

多層PCB層疊結構設計主要需要確定PCB層數和層的排序，即對信號層、電源層以及地層進行排序，主要設計流程如圖2所示。在進行多層PCB電路的層數選擇時，需要綜合考慮電源種類、底線種類、載流能力、電路布局以及電路性能等多種因素來選擇電路層和底層的數量，然后綜合考慮電子元器件密度、走線數量、信號頻率以及信號特殊要求等因素來選擇信號層的數目[3]。確定好電源層、地線層以及信號層各自的數目后，3者的層數之和即為整個PCB電路的總層數。

圖2 多層PCB層疊結構設計流程

PCB電路層數確定后，需要對電路層進行排序，主要需要考慮特殊信號要求以及電源與地層布局兩方面的因素。多層PCB的層疊結構具有多種順序組合方式，對PCB電路的阻抗、電磁兼容、線損以及諧振均有影響，需要利用層疊結構設計原則挑選層序設計方案，然后通過仿真驗證所選方案，最終確認最優的層疊結構方案。

層疊結構設計原則中，信號層盡可能與電源層或地層相鄰，這是因為電源層或地層上的敷銅可以為信號層起到電磁屏蔽作用。內部的電源層和地層間應能夠實現緊密耦合，不同電層之間的隔離介質厚度應盡量小，此外提升電源與地之間形成的電容值，以加大電源和地層間的耦合。增加地層數目可減小接地阻抗，并且層序布局應盡量能夠兼顧對稱性結構。將信號層盡量分布于中間層，處于內電層（電源層或地層）之間。兩個內電層可為信號層起到電磁屏蔽作用，同時抑制高速信號的對外輻射，降低高速信號對其他信號的干擾。兩個信號層不要直接相鄰，信號層直接相鄰有可能發生串擾現象，信號層之間應設置內電層，以降低信號層之間的串擾現象。常見的多層PCB層疊結構有4層、6層、8層以及10層，應依據層疊結構設計原則，綜合考慮設計需求和限制條件，選擇合適的層數和層序，實現層疊結構的最優化設計。

3 EMI電磁干擾

電路時鐘的上升沿較陡峭，所以電路有可能像天線一樣向外產生電磁輻射，以至于對外造成電磁干擾（Eletromagnetic Interference，EMI）。電磁干擾輻射主要可分共模輻射和差模輻射兩類。差模輻射是由差模電流激勵造成的，兩路導線上的電壓差會產生差模電流。共模輻射是由共模電流激勵造成的，共模電流主要是信號電路與地層之間的電壓差產生的。EMI電磁干擾與供電電源也有相關性，供電電源中的噪聲會導致共模輻射的增強，較大的電流回流會導致差模輻射的增強，二者均會造成EMI電磁干擾。另外，EMI電磁干擾也會影響系統電源的穩定性，因此當電路板出現EMI電磁干擾問題時，需要采取一定的改進措施來進行抑制。

3.1 差模輻射干擾

差模輻射干擾是差模電流在電路中產生環路造成的。差模電流環路類似一個微型的環狀天線，可采用環狀天線模型表示差模輻射模型，環狀天線也可稱為磁偶天線。差模輻射干擾模型如圖3所示，環狀天線有小電流環構成，在磁場立體空間中的各個方向會產生分量。將與磁偶區域距離較近的區域稱作近區場，近區場也稱為低阻抗區，其中電場強度與距離的二次方成反比例關系，而磁場強度與距離的三次方成反比例關系。將與磁偶極子區域距離較遠的區域稱作遠區場，遠區場也稱為真空阻抗區，在遠區場中電場強度與距離的值成正比例關系，而磁場強度與距離的值也成正比例關系[4]。

圖3 差模輻射模型

3.2 共模輻射干擾

共模輻射干擾主要是由于在接地電路中產生了電壓降，從而導致局部電路產生了共模電壓。當外部線纜連接到共模電壓時會出現共模電流，從而造成共模輻射，類似于電偶極子天線。共模輻射模型如圖4所示，其中的天線為一根孤立導線，在立體空間中的各個方向會產生電磁場分量。與電偶極子區域距離較近的區域稱作近區場，在近區場中電場強度與距離的三次方成反比例關系，而磁場強度與距離二次方成相反比例關系，近區場也稱為高阻抗區。與電偶極子區域距離較遠的區域稱作遠區場，在遠區場中電場強度與距離成反比例關系，而磁場強度與距離也成正比例關系，遠區場也稱為真空波阻抗區。

4 結 論

隨著電子電路設計復雜度的逐步升高，電路中電子元器件應用數量不斷增加，越來越多的高頻工作芯片被應用于電路設計。為滿足設計需求，需要對PCB電路進行多層設計。多層電路的層疊結構設計對電路布局、電磁兼容以及信號完整性具有重要影響，直接關系到電路設計質量。本文針對PCB的層疊結構設計問題，提出了多層設計流程，并分析了電路層數和層序的選擇方法，提出了具體的設計原則。