单面和双面板EMC布线要点

    在电子产品尤其是高频电子产品的EMC设计上，单面和双面PCB系列存在特殊的考虑。在高速、高技术产品中，单面和双面PCB的应用带来了附加的EMC问题。这个问题为使用特殊的先进的布线技术带来了困难。对早期低技术设计来说成本是很重要的问题，使用单面板双面安装PCB常常是理想的选择。必须注意到RF返回电流回到出发点，是以最佳的，低阻抗的方式来完成的。

    应该在信号和电源电压传输中考虑传输线的概念。在部件的布线过程中，电源及其返回线路必须彼此平行走向。应该为高风险回路，如时钟以及类似回路，提供专用的回路，以减小环路结构及减小环路辐射和吸收电磁能量。在双面板中，控制环路面积是关系信号质量和电磁干扰性能的关键。

   必须强调，特别是对要求符合电磁兼容性来说，不存在“双面”的PCB，虽然从物理结构上它是存在的。当分析一个涉及电磁兼容性的双面PCB的性能时，应该注意到对一个典型的PCB来说，其中心材料的厚度按规定为0.062in（1.6mm）。在装有器件的顶层和接地层或0V电位结构的底层之间的空间常常有作为顶层射频电流返回的镜像层。实际上，信号走线与镜像层之间的空间距离非常大，以致不能有效地消除磁通量。当走线和返回面之间缺乏互感时，不能有效地消除净磁通量。当走线和板之间的距离非常大时，信号走线周围的场分布是很小的。

    描述双面PCB的适合方法是把其想象成两个单面PCB。我们必须使用适合于单面设计的设计规则和技术来设计上层和底层的PCB。

    例如，如果走线的宽为0.008in（0.2mm），则离开走线距离0.008in（0.2mm）的位置有场存在。如果参考层大于0.008in（0.2mm），则不能有效地消磁，同时射频（RF）返回电流将部分地穿过自由空间。双面板板间距离常常为0.062in（1.6mm），它远大于0.008in（0.2mm）。

    单面和双面PCB上的RF电流返回路径是如何实现的呢？我们必须记住双面PCB必须考虑成两个单面PCB。下面的例子将说明，要十分圆满地实现这个目的是困难的。为了允许电流返回，我们必须使用接地走线（保护电路）或0V电位的网格系统。接地走线或网格系统为RF电流提供了另一个迂回的返回路径。这个迂回的返回路径允许RF电流以低阻抗方式返回到它的源。因为不存在完全返回层，它并不是一个最佳的实现方式。对单面板来说，接地走线是让RF电流返回到它的源的最基本的设计技术，以便控制环路面积，实现EMI抑制。

    对单面和双面的PCB来说，任何器件都要有大量的局部滤波和去耦。用于关键信号线的附加的高频滤波必须直接连在器件上。接地板没有给我们带来好处，因此必须采用不同的设计技术。

    1．单面PCB
    对于单面PCB来说，RF返回电流只存在一个概念上的设计技术。这个技术就是使用接地走线（保护电路），并使其在物理上尽可能靠近在高敏感信号走线旁。电源和接地返回电路必须彼此平行布线，在两个平行线和可能向配电系统注人开关能量的器件旁安装去耦电容。

    当提供网格电源和接地设计方法时，必须注意网格要尽可能多地连接在一起。如果不使用网格系统，器件产生的射频环路电流，采用任何相关的方法，可能找不到一个低阻抗的RF返回路径，这样加重了任务的难度。通过把电源和返回路径平行布线，可以产生一个低阻抗小环路面积的传输线结构，这取决于在设计时如何来实现平行走向。如果走线与0V电位间的距离非常大，走线相对0V参考点能够产生足够的电流环路。

    当存在电源和接地网格时，与单面PCB相关的问题集中在如何在器件之间布置走线。几乎在任何一个应用中，在单面板上完全地划分网格是不可能实现的。最佳的布线技术就是充分使用接地填充，作为替换的返回路径，来控制环路面积并减小RF返回电流线路的阻抗。这种接地填充必须在多个地方与0V电位参考点连接。

    2．双面PCB
    存在两种典型的实现方法来为RF电流提供替代返回路径：

• 对称排列器件（例存储器阵列）
• 非对称排列器件

    3．对称排列器件
    对电磁兼容性，双层板存在一种基本的实现技术为RF返回电流提供低阻抗路径。它首先被用于早期的技术，即慢速器件。这些设计通常由Dual－In－Package（DIP）（双面直插式封装）组成，排成一直行或矩阵排列。目前，很少有产品还使用这种工艺或技术。

    在焊接面布置水平走线，在电路面布置垂直走线是双面板最常用的工艺。当使用对称排列器件时，这已经变成了设计规范，通常不会被打破。电源走线布置在顶层（或底层）同时接地走线布置在相对的另一面。所有的相互连接都使用电镀的通孔连接。在没有被用于电源接地或信号走线的区域必须用接地填充，这样可以为射频RF电流提供低阻抗接地路径。

    概述如下：

• 用网格在全部环路面积上布置电源线和接地线，每个网格面积不能超过1.5 in2（3.8cm2），但更快的边缘时间则要更小的网格。
• 使电压和电路走线互相垂直，电源在一层上，接地在另一层上。
• 为所有连接器件和每一个集成电路的电源和接地走线间安装去耦电容器。

    当镜像层不存在时，因为网格结构为射频电流提供了公共返回路径，使用电源和接地网格是可行的。

    4、非对称排列器件

    在许多现代的设计中可以发现非对称排列器件。这种布线设计常常用于低频模拟系统—小于1kHz，以及几乎所有的低速产品和早期的产品。

• 在同一个布线层上以辐射方式布置所有的电源走线，使走线长度之和减小。
• 电源和接地线彼此靠近（平行）布线。这样可以减少高频开关噪声（进入器件内部）产生的环路电流，以免破坏其它电路或控制信号。理想情况下，当这些走线必须分开连接到去耦电容器上时，走线分开的距离才允许不大于任何一单独走线的宽度。信号流应该平行流过这些接地路径。
• 通过阻止树状的一个支路流到另一支路上，防止环路电流。

    经观察，发现在低频时，寄生 L和 C通常不会像在高频应用时那样引来问题。在这种情况下，单点接地是可行的。

    应注意如下几点。对高频应用，要控制所有信号走线和返回电流路径的表面阻抗（Z）。当处在低频应用，取代阻抗控制的重点是考虑布线设计。通过不把器件连在一起，可以防止产生环路电流。

    5、网格接地系统
    网格接地系统是减少走线电感的有效方法，并提供射频电流返回路径。这种网格系统在方案设计中引入，它通常仅用于单面或双面PCB。当使用多层结构时，网格接地系统不能提供足够的有效控制，面镜像层提供更加有效的磁通量对消。网格接地系统在PCB上包括水平和垂直接地路径。网格的大小通常为0.5in（1.27cm），然而更大的尺寸也可接受，这依赖于信号边沿速度和器件布置的复杂程度。通常可接受的准则是网格尺寸是波长的1／20，它基于网格可能承受的最高频率。主要目标在于限制走线的电感值，这可通过限制网格间的距离以及使接地网格和互相连接的器件尽可能地“粗大”。

    最好的准则是使网格的尺度为在板上任何一个IC（集成电路）间存在一个网格。当不能实现接地层时，这种尺寸设计可提供一个替代的射频（RF）返回路径。这种网格可存在于单面板上（即使不是不可能，也极为困难），但它更适合于在双面板上实现。当使用双面板时，X轴方向走线通常在顶层布线，同时Y轴方向走线布置在底层。这些走线在跳接层用通孔连在一起。这种层的跳接可为必要的信号布线和相互连接扩大空间。PCB板上某一面的接地网格与另一面的接地网格用转接孔连接，这种转接孔要尽可能地多。

    返回电容器上的电压叫做接地电压降或接地反弹。PCB返回结构上两点间的接地压降值越小，则PCB上的辐射越少。

    如果网格的尺寸比规定的小，RF返回电流将以更近的镜像返回，且具有更大的互感。因为不存在直线路径，产生了一个旋绕的环路面积，增加了产生RF的能量。

    使用网格接地结构优化PCB的设计和布线时，要在安装器件和布置信号走线之前设计网格结构。在布线之后实现网格结构是困难的。这种网格结构不增加产品的单位价格。对单面和双面板，这种网格结构可能是唯一的抑制杂波的工艺。

    关于网格结构的一个普通问题是：“走线应多宽”？最佳的答案是：“尽可能地宽”。实际上，网格用窄导体制作，困为走线上的阻抗是并联地加在一起的，所以产生了一个低阻抗返回路径。这个阻抗可能仍高于镜像层情形下的阻抗。设计唯一要考虑的是保证走线的宽度能够处理0V返回电流（从电压源起，而不是RF返回电流）， 注意窄走线网格比完全没有网格要好。