博客作者：Dario Fresu

在設(shè)計(jì)電磁兼容性（EMC）表現(xiàn)優(yōu)異的 PCB 時(shí)，疊層結(jié)構(gòu)的選擇是需要掌握的核心概念之一。

圖 1：Altium Designer 中的層疊管理器工具

這一環(huán)節(jié)之所以至關(guān)重要，是因?yàn)樗c PCB 設(shè)計(jì)中電磁場(chǎng)的約束緊密相關(guān)。

在 “掌握 PCB 設(shè)計(jì)中的 EMI 控制” 系列的第三篇文章中，我們將進(jìn)一步探討這些概念，并介紹其他重要的 EMC 設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

對(duì)于信號(hào)在電路中的傳播，需要兩個(gè)導(dǎo)體形成完整的電流環(huán)路：一個(gè)導(dǎo)體傳輸信號(hào)，另一個(gè)提供返回路徑，以確保電流流通并有效傳輸信號(hào)。我們將前者稱為信號(hào)導(dǎo)體，后者稱為信號(hào)返回與參考導(dǎo)體—— 后者之所以得名，不僅因?yàn)樗鼮樾盘?hào)提供參考電位（或零電位），還因?yàn)樗仨殲樾盘?hào)電流返回源端提供最小阻抗路徑。為實(shí)現(xiàn)這一路徑，最佳配置是選擇平面（而非走線），且該平面不應(yīng)有分割、切口或其他可能導(dǎo)致信號(hào)阻抗不連續(xù)的結(jié)構(gòu)。

從這一基本概念可知，每個(gè)信號(hào)層都需搭配第二個(gè)導(dǎo)體（即返回參考平面）以提供返回和參考路徑。遵循這一簡單規(guī)則，我們可通過為每個(gè)信號(hào)層匹配相鄰的返回參考平面（RRP）來設(shè)計(jì)疊層結(jié)構(gòu)。

以下是幾種可將電磁干擾降至最低的疊層結(jié)構(gòu)示例。

雙層板疊層示例

對(duì)于雙層板疊層，一種配置是：一層專門用于信號(hào)和電源走線，另一層為完整的返回參考平面。

圖 2：Altium Designer 中層疊可視化工具顯示的雙層板疊層示例

該平面不應(yīng)有分割或大的間隙，同時(shí)避免信號(hào)走線跨越間隙 —— 這會(huì)導(dǎo)致阻抗不連續(xù)、擴(kuò)大電流環(huán)路并最終增加輻射發(fā)射。若需通過過孔跨層，應(yīng)確保過孔路徑盡可能短，且避免在其他信號(hào)走線下方穿越。

四層板疊層示例

當(dāng)元件和走線密度增加、需要第二層信號(hào)層時(shí)，四層板疊層更為適用。盡管三層板可實(shí)現(xiàn)類似配置，但從制造角度看，廠商通常更傾向于提供成對(duì)的疊層結(jié)構(gòu)，因此四層板是更優(yōu)選擇。

四層板有兩種高效配置：

第一種配置中，返回參考平面作為嵌入式平面位于疊層內(nèi)部，即第 1 層和第 4 層為信號(hào)平面，第 2 層和第 3 層分別為第 1 層和第 4 層信號(hào)提供返回和參考路徑。

第二種配置中，返回參考平面位于第 1 層和第 4 層（充當(dāng)電路的屏蔽層），而信號(hào)層位于嵌入式的第 2 層和第 3 層。在此配置中，需增大第 2 層與第 3 層的間距以避免信號(hào)場(chǎng)相互干擾，確保每個(gè)信號(hào)層僅與返回參考平面耦合。

在兩種配置中，均需在返回參考平面之間添加縫合過孔，其主要作用包括：

形成法拉第屏蔽以減少輻射和外部干擾；

維持平面等電位并降低共模電壓；

為跨層信號(hào)提供返回和參考路徑。

此時(shí)，電源也可布設(shè)在信號(hào)層。

圖 3：Altium Designer 中層疊可視化工具顯示的四層板疊層示例

四層板中完全專用電源層的情況未在此討論，因?yàn)閺?EMC 設(shè)計(jì)角度不建議這樣做 —— 處理不當(dāng)可能產(chǎn)生共模電壓噪聲，該話題需另文詳述。

六層板疊層示例

六層板在信號(hào)層和電源層分配上提供了更高自由度。

圖 4：Altium Designer 中層疊可視化工具顯示的六層板疊層示例

以下兩種疊層結(jié)構(gòu)具備出色的 EMC 性能：

疊層 1：信號(hào)布設(shè)在第 1 層和第 6 層，返回參考平面位于第 2 層和第 5 層，第 3 層和第 4 層為額外信號(hào)層。此配置中，第 2 層和第 5 層可作為所有四個(gè)信號(hào)層的返回和參考平面，這得益于趨膚效應(yīng)—— 它允許平面兩側(cè)承載不同電流而不混合。趨膚效應(yīng)指交流電傾向于在導(dǎo)體表面分布（表面電流密度最大、中心最?。?，這是由于交流電產(chǎn)生的變化磁場(chǎng)誘導(dǎo)渦流，抑制導(dǎo)體中心的電流流動(dòng)并迫使電流向表面聚集。在此類疊層中，電源網(wǎng)絡(luò)可與信號(hào)層共面布設(shè)。

疊層 2：信號(hào)布設(shè)在第 1 層和第 6 層，第 2 層和第 5 層為返回參考層，第 3 層和第 4 層為電源平面。此疊層尤其適用于高功率需求或需要低阻抗電源網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景，建議返回參考層和電源層均采用完整均勻的平面 —— 避免在單層使用不同多邊形（可能產(chǎn)生共模噪聲并在連接電纜時(shí)導(dǎo)致輻射發(fā)射），應(yīng)為每個(gè)電壓單獨(dú)分配平面以避免此類問題并改善電路板的電源傳輸網(wǎng)絡(luò)（PDN）。

與四層板類似，需確保內(nèi)層信號(hào)層與電源層間距足夠大以避免耦合干擾，同時(shí)最大化信號(hào)層與返回參考層的耦合，并盡可能在返回參考平面間添加縫合過孔。

借助 Altium Designer實(shí)現(xiàn)簡單多層疊層設(shè)計(jì)

幸運(yùn)的是，Altium Designer 的集成層疊管理器工具可簡化 PCB 疊層選擇流程：

通過該工具，可創(chuàng)建自定義疊層或使用預(yù)設(shè)疊層，大幅降低 PCB 設(shè)計(jì)師的工作復(fù)雜度；還可創(chuàng)建更高級(jí)的疊層類型，并直接計(jì)算信號(hào)特征阻抗（無需依賴第三方工具）。

這僅是 Altium Designer 眾多功能之一，它支持無縫且精準(zhǔn)的 PCB 項(xiàng)目創(chuàng)建，讓設(shè)計(jì)流程不僅更輕松，也更具愉悅性。

下一篇文章中，我們將探討如何設(shè)計(jì)和優(yōu)化 PCB 以實(shí)現(xiàn)低 EMI。

關(guān)于Altium

Altium有限公司隸屬于瑞薩集團(tuán)，總部位于美國加利福尼亞州圣迭戈，是一家致力于加速電子創(chuàng)新的全球軟件公司。Altium提供數(shù)字解決方案，以最大限度提高電子設(shè)計(jì)的生產(chǎn)力，連接整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的所有利益相關(guān)者，提供對(duì)元器件資源和信息的無縫訪問，并管理整個(gè)電子產(chǎn)品生命周期。Altium生態(tài)系統(tǒng)加速了各行業(yè)及各規(guī)模企業(yè)的電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)進(jìn)程。