多层布线的电磁兼容设计

随着现代电子设备工艺结构的发展，印制电路板已取代了以往的许多复杂配线，为设备的制造和维修提供了极大的方便。另一方面，集成电路的迅猛发展更加促进了印制电路技术的飞速发展。目前，电子设备中常用的印制电路板有以下几种：一种为单面布线印制制板，它是一个表面有铜箔且厚度为0.2―5.0mm的缘缘基板上形成印制电路，适用于一般要求的电子设备，如收音机等。另一种为双面布线印制板，是在两个表面有铜箔且厚度为0.2～5.0mm的绝缘基板上形成印制电路，提高了布线密度，减小了设备体积，适用于电子仪器、仪表等。还有一种就是极富生命力的多层布线印制电路板，它是通过几层较薄的单面或双面板粘合，在绝缘基板上形成三层以上的印刷电路而制成。它与集成电路配合使用，可以减小电子产品的体积与重量；通过增设屏蔽层，可以提高电路的电气性能。如今，大规模和超大规模集成电路已在电子设备中得到广泛应用，而且元器件在印刷电路板上的安装密度越来越高，信号的传输速度更是越来越快，由此而引发的EMC问题也变得越来越突由。单面、双面布线已满足不了高性能电路要求，而多层布线电路的发展为解决以上问题提供了一种可能，并且其应用正变得越来越广泛。

电源有如人体的心脏，是所有电设备的动力。电源电路的选择和设计直接关系到设备的EMI/EMC规范，甚至关系到设备的基本性能。本文通过分析多层布线的特点及其发展，探讨了电源电路中EMI产生的原因，给出了多层布线的一些布线规则及抑制EMI的措施，最后介绍PROTEL99SE软件及其应用。

1 多层布线的特点及发展

图1给出了多层电路板结构层面剖视图。多层板是通过电镀通孔把重叠在一起的n层印制电路板连接成一个整体。

1.1 多层布线特点

多层布线之所以逐渐得到广泛的应用，究其原因，不乏有以下几个特点：

（1）多层板内部设有专用电源层、地线层，减小了供电线器的阻抗，从而减小了公共阻抗干扰。

印制电路板上单根铜箔导线的特性阻抗为：

Z=R+jwL （1）

R为印制导线的直流电阻，可以通过下式求得：

R=pl/bd （2）

p――铜的体积电阻率（Ω·cm）

l――印制导线长度（cm）

b――印制导线宽度（cm）

d――印制导线厚度（cm）

在常温条件下，p=1.75(Ω·cm)，常用导线的厚度为18μm、35μm、70μm。

L为印制导线的自感，可以通过下式求得：

L=2l[ln（2l/b）+1/2] (mH) （3）

式中，l、b的定义同上。

由公式（2）、（3）可以看出，印制导线的长度、厚度一定时，增加导线的宽度可以减小导线的特性阻抗，从而相应地减小公共阻抗的干扰。

（2）多层板采用专门地线层，对信号线而言都有均匀接地面，信号线的特性阻抗稳定，易匹配，减少了反射引起的波形畸变。

在电路设计中发现，当印制电路板上装有多个集成电路，并且其中有些元件耗电很多时，地线上会出现较大电位差。原因集成电路的开关电流i与电源线和地线电阻R和电感L造成电压降所至。可通过下式来描述：

E=ER+EL=Ri+L(di/dt) （4）

由式（4）可以看出，通过减小R和L将使电压降能够显著减小。而多层板设计中，信号线与地层之间有均匀接地面，减小了R、L，保证了地线电位的稳定。

（3）采用专门的地线层加大了信号线和地线之间的分布电容，减小了串扰。

串扰是指两个或更多导体靠得比较近时，它们之间会有容性耦合，一个导体上的电压大幅度变化时会向其它导体耦合电源。通常耦合电容反比于导体间的距离而正比于导体的面积。而在通过减小相邻导体间的面积并增大相邻距离，有利于减小串扰。采用多层布线，由于增加了独立地线层，大功率接地层上的噪声就不会注入到其它层面上去，从而减小了高频电流对敏感电路的影响。

（4）配线密度高。

与相应尺寸的双面印制板相比，多层印制电路板器件安装面安装密度大，配线密度高。

1.2 多层布线的发展

上面分析了多层布线不同于单面、双面布线的特点。正是由于多层布线具有这些特点，从而为电路设计人员提供了一种理想的解决噪声问题的途径。在常规则的电路设计中，去耦电容安装得当可以使串联阻抗减小80%左右。但是，这种大幅度抑制电源电压波动的措施，实质上是一种补救办法。更好的方法是不断完善供电线路的设计，而多层布线的发展为其提供了一种可能。当然，多层电路板还存在加工工艺复杂、成本高的特点，这是阻碍其发展的因素。但随着印刷电路板技术的发展及大规模生产，多层电路板的使用将变得越来越广泛。

2 电源电路电磁干扰分析及相应抑制措施

电磁兼容（EMC）是指对电磁环境进行设计的学科领域，通过研究和分析预测电磁干扰，提