如何在PCB板设计中，增强电磁兼容性(续)

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如何在PCB板设计中，增强电磁兼容性(续)

本文为前文的续篇，将介绍布线和地层(GND)的一些设计规则。

PCB信号布线约束设计

结合上述章节的叠层阻抗设计和器件布局为基础，我们已经为信号完整性创建了一个非常稳定的平台，接下来就要考虑如何在信号布线方面来改善并提高EMC设计的效果。

随着频率的上升，信号跳变产生的电磁能量也在增加。如果回路电感很大，就会使得交流信号的感抗很大，信号不仅会在板内传输，同时还会辐射到空间中去。这时就要引入微带线或者带状线，他们可以给信号提供一个低阻抗的传输路径，电磁能量就被控制在了导体之间的介质中。主要原因是信号路径与回流路径靠得更近，这样整个回路的电感就减小了。

由此可知，参考平面对传输线的单位长度有效电感的影响是很大的。

可以想象，在高频条件下，如果信号拥有很好的回流路径，那么它所感受到的回路电感就会很小，信号就会按照人们的意愿从发射端传输到接收端，如果信号感受到的回路电感很大就会产生辐射问题。

通常信号层要有完整的地平面来做为参考平面，保证回流路径最短。

下面总结一些通用的能有效提高EMC效果的规则：
1、关键高速信号线，时钟信号等敏感信号，走线避免跨越参考平面，就是我们通常所说的跨分割，参考平面的改变会对信号电平产生不可预知的跳变。
2、关键信号线走线避免“U”型或“O”型，这样会形成自环路；除非特别需要延时匹配的信号，像DDR，Flash，SD等需要时钟和数据延时匹配，其他的尽量避免人为的增加布线长度。
3、时钟信号线尽量远离板边或是外置接口器件，布线距离越短越好，远离开关电源等干扰器件。晶振下面避免其他容易受影响的信号布线，建议铺地铜皮。
有些远距离的时钟信号，HDMI和USB等高速信号尽量内层布线，间距保证满足3W原则，特殊功能的可以采取伴地线处理，同时每隔200mil左右增加地孔。
4、相同功能的总线要并行走、中间不要夹插其它信号；接收信号和发送信号分开布线，避免平行走线。
5、芯片内部的地管脚避免共用地孔，尽量每个管脚保证一个地孔，特别是DDR高速信号管脚的地，密集的区域可以适当增加地孔。
6、浪涌抑制器件（TVS管、压敏电阻）对应的信号走线是否在表层短且粗（一般10mil以上）；不同接口之间的走线要清晰，不要互相交叉；接口线到所连接的保护和滤波器件要尽量短；接口线必须要经过保护或滤波器件再到信号接收芯片；接口器件的固定孔是否接到保护地，保护地和信号地之间通常保持80mil以上的安全间距；变压器、光耦等前后的地是否分开；
连接到机壳上的定位孔、扳手等没有直接接到信号地上。
7、电源平面针对地平面内缩，保证满足20H原则（H为电源和地平面之间的介质厚度），如果电源数量不多，可以把电源平面也设置成地和电源的混合平面。
8、电源部分若有AC220V的，信号或是铜皮的安全间距要保持300mil以上；DC48V的安全间距要保持在80mil以上，DC12V需要30mil以上，这些安全间距的对象包括走线，铜皮，过孔，焊盘等所有相关因素。
9、时钟或是其他容易产生EMI的信号，尽量避免采用插装件的管脚或测试点，需要预留测试点的选择表贴焊盘。换层过孔比较密集的区域建议增加滤波电容。DDR时钟信号和DQS尽量内层布线，注意匹配电阻和端接电路的位置。
10、高频电流环路面积S越大，EMI辐射越严重。减少辐射骚扰或提高射频辐射抗干扰能力的最重要任务之一，就是想方设法减小高频电流环路面积S。布线时就要减少非必要的绕线或缩短连线，减少高频电流回路面积。
11、环路电流频率f越高，引起的EMI辐射越严重，电磁辐射场强随电流频率f的平方成正比增大。减少辐射骚扰或提高射频辐射抗干扰能力的最重要途径之一，就是想方设法减小骚扰源高频电流频率f，即减小骚扰电磁波的频率f。

PCB包地设计规则

谈到EMC设计就不可避免的要提到“地”，在PCB设计中有很多不同的概念，如数字地、模拟地、信号地、机壳地、电源地、防雷地、共模地、安全地、参考地、大地、RF地、静电地、防护地、单点地以及多点地等等。所有以电压电平为工作特性的电气设备都需要有参考，而这个参考绝大多数情况下是0V，最后大家约定俗成的把这个0V参考叫成了“地”。

对于一个3.3V的数字信号，这个3.3V电平就是相对于0V参考而言的。

对于一般的数字信号，用参考的说法其实也是更准确的，信号通过这个参考来达到回流的目的。关于回流，并不只有“地”才可以回流，实际上一切皆可回流，包括地、电源以及旁边的信号。但是通常PCB设计中都会有一个完整的地平面来提供参考平面。
下面整理了一些关于PCB地设计的常用规则：
1、器件贴片层（Top）的相邻层建议保证完整的地平面，为芯片提供短而有效的回流路径，芯片的地管脚可以直接通过过孔连接到地平面，对后续EMC测试起到非常重要的作用。
2、电源平面的相邻层也要有完整的地平面，降低电源对地阻抗，可以有效的抑制电源噪声对其他信号的影响，提高EMC效果。
3、时钟信号在空间允许的情况下，可以采用包地处理，地线上均匀地增加地孔，这样可以有效抑制时钟信号的平行辐射。特别是远距离的布线，输入和输出端或是信号换层处都要增加地孔或是滤波电容。
4、ACDC和DCDC电源的输入地和输出地要尽量分开，避免输入的噪声耦合到板内的电源或地上面。对于48V和12V电源，要尽量增加地的铜皮面积，最好大于相应的电源面积。
5、电源平面在满足过流的前提下，板卡周围尽可能增加地平面，这们也可以抑制电源噪声的平行辐射。
6、各个IO接口的外壳地尽量和板内的信号地通过电感或是磁珠隔离，模拟器件的地与数字地采用单点接地，相应的电源或地平面也要做分配。模拟信号与数字信号的布线保持足够的安全距离。
7、高速信号板通常是多层板，都会有完整的地参考平面。信号线包地的主要目的是减少信号间的串扰。包地线是位于攻击线和被攻击线之间的隔离线，它可以有效的减少信号之间的电容，插入屏蔽地线后信号与地耦合，不在与邻近线耦合，使线间串扰大大降低。
另外包地线不仅仅只是屏蔽了电场，信号线上的电流也在包地线上产生了方向相反的感应电流，包地线上的感应电流产生的磁力线进一步抵消了动态线在静态线位置处所产生的杂散磁力线。如图六：

图六：高速信号线间的包地设计

8. 针对两层板的PCB设计，由于缺少完整的参考平面，重要信号的包地就非常重要。包地线的宽度要尽量宽，最好在信号宽度的两倍以上。同时多打过孔，过孔间距小于信号线上信号波长1/5。一方面可以减小信号回路面积，另外防止信号线与其他信号线之间的串扰。

以上我们介绍了板级EMC设计需要注意的几个主要方面，成熟的产品会在整个设计过程中充分考虑EMC的相关影响因素，通过不断地改善来实现最终的产品化。

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