隨著現(xiàn)代電子設(shè)備工藝結(jié)構(gòu)的發(fā)展，印制電路板已取代了以往的許多復(fù)雜配線，為設(shè)備的制造和維修提供了極大的方便。另一方面，集成電路的迅猛發(fā)展更加促進(jìn)了印制電路技術(shù)的飛速發(fā)展。目前，電子設(shè)備中常用的印制電路板有以下幾種：一種為單面布線印制制板，它是一個表面有銅箔且厚度為0.2―5.0mm的緣緣基板上形成印制電路，適用于一般要求的電子設(shè)備，如收音機等。另一種為雙面布線印制板，是在兩個表面有銅箔且厚度為0.2～5.0mm的絕緣基板上形成印制電路，提高了布線密度，減小了設(shè)備體積，適用于電子儀器、儀表等。還有一種就是極富生命力的多層布線印制電路板，它是通過幾層較薄的單面或雙面板粘合，在絕緣基板上形成三層以上的印刷電路而制成。
它與集成電路配合使用，可以減小電子產(chǎn)品的體積與重量；通過增設(shè)屏蔽層，可以提高電路的電氣性能。如今，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路已在電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，而且元器件在印刷電路板上的安裝密度越來越高，信號的傳輸速度更是越來越快，由此而引發(fā)的EMC問題也變得越來越突由。單面、雙面布線已滿足不了高性能電路要求，而多層布線電路的發(fā)展為解決以上問題提供了一種可能，并且其應(yīng)用正變得越來越廣泛。
電源有如人體的心臟，是所有電設(shè)備的動力。電源電路的選擇和設(shè)計直接關(guān)系到設(shè)備的EMI/EMC規(guī)范，甚至關(guān)系到設(shè)備的基本性能。本文通過分析多層布線的特點及其發(fā)展，探討了電源電路中 EMI產(chǎn)生的原因，給出了多層布線的一些布線規(guī)則及抑制EMI的措施，最后介紹PROTEL99SE軟件及其應(yīng)用。
1 多層布線的特點及發(fā)展
圖1給出了多層電路板結(jié)構(gòu)層面剖視圖。多層板是通過電鍍通孔把重疊在一起的n層印制電路板連接成一個整體。
1.1 多層布線特點
多層布線之所以逐漸得到廣泛的應(yīng)用，究其原因，不乏有以下幾個特點：
（1）多層板內(nèi)部設(shè)有專用電源層、地線層，減小了供電線器的阻抗，從而減小了公共阻抗干擾。
印制電路板上單根銅箔導(dǎo)線的特性阻抗為：
Z=R+jwL （1）
R為印制導(dǎo)線的直流電阻，可以通過下式求得：
R=pl/bd （2）
p――銅的體積電阻率（Ω?cm）
l――印制導(dǎo)線長度（cm）
b――印制導(dǎo)線寬度（cm）
d――印制導(dǎo)線厚度（cm）
在常溫條件下，p=1.75(Ω?cm)，常用導(dǎo)線的厚度為18μm、35μm、70μm。
L為印制導(dǎo)線的自感，可以通過下式求得：
L=2l[ln（2l/b）+1/2] (mH) （3）
式中，l、b的定義同上。
由公式（2）、（3）可以看出，印制導(dǎo)線的長度、厚度一定時，增加導(dǎo)線的寬度可以減小導(dǎo)線的特性阻抗，從而相應(yīng)地減小公共阻抗的干擾。
（2）多層板采用專門地線層，對信號線而言都有均勻接地面，信號線的特性阻抗穩(wěn)定，易匹配，減少了反射引起的波形畸變。
在電路設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)印制電路板上裝有多個集成電路，并且其中有些元件耗電很多時，地線上會出現(xiàn)較大電位差。原因集成電路的開關(guān)電流i與電源線和地線電阻R和電感L造成電壓降所至。可通過下式來描述：
E=ER+EL=Ri+L(di/dt) （4）
由式（4）可以看出，通過減小R和L將使電壓降能夠顯著減小。而多層板設(shè)計中，信號線與地層之間有均勻接地面，減小了R、L，保證了地線電位的穩(wěn)定。
（3）采用專門的地線層加大了信號線和地線之間的分布電容，減小了串?dāng)_。
串?dāng)_是指兩個或更多導(dǎo)體靠得比較近時，它們之間會有容性耦合，一個導(dǎo)體上的電壓大幅度變化時會向其它導(dǎo)體耦合電源。通常耦合電容反比于導(dǎo)體間的距離而正比于導(dǎo)體的面積。而在通過減小相鄰導(dǎo)體間的面積并增大相鄰距離，有利于減小串?dāng)_。采用多層布線，由于增加了獨立地線層，大功率接地層上的噪聲就不會注入到其它層面上去，從而減小了高頻電流對敏感電路的影響。
（4）配線密度高。
與相應(yīng)尺寸的雙面印制板相比，多層印制電路板器件安裝面安裝密度大，配線密度高。
1.2 多層布線的發(fā)展
上面分析了多層布線不同于單面、雙面布線的特點。正是由于多層布線具有這些特點，從而為電路設(shè)計人員提供了一種理想的解決噪聲問題的途徑。在常規(guī)則的電路設(shè)計中，去耦電容安裝得當(dāng)可以使串聯(lián)阻抗減小80%左右。但是，這種大幅度抑制電源電壓波動的措施，實質(zhì)上是一種補救辦法。更好的方法是不斷完善供電線路的設(shè)計，而多層布線的發(fā)展為其提供了一種可能。當(dāng)然，多層電路板還存在加工工藝復(fù)雜、成本高的特點，這是阻礙其發(fā)展的因素。但隨著印刷電路板技術(shù)的發(fā)展及大規(guī)模生產(chǎn)，多層電路板的使用將變得越來越廣泛。
2 電源電路電磁干擾分析及相應(yīng)抑制措施
電磁兼容（EMC）是指對電磁環(huán)境進(jìn)行設(shè)計的學(xué)科領(lǐng)域，通過研究和分析預(yù)測電磁干擾，提供抑制干擾的有效技術(shù)，進(jìn)行合理設(shè)計，從而使電子系統(tǒng)和設(shè)備在共同電磁環(huán)境中不受干擾的影響而相容地正常工作。電磁兼容的研究對象就是電磁干擾。隨著電子系統(tǒng)和設(shè)備數(shù)量的逐漸增多和性能的不斷提高，電磁干擾將越來載嚴(yán)重。而電源電路作為任何電子設(shè)備所不可缺少的部分，其性能的好壞直接關(guān)系到了設(shè)備性能的優(yōu)劣。對電源電路系統(tǒng)來講，電磁干擾可分為輻射型和傳導(dǎo)型。輻射型干擾表現(xiàn)為電場或磁場的形式，而傳導(dǎo)型干擾總是以電壓或電流的形式來表現(xiàn)。電源電路中功率器件的切換或電源電壓的波動過程，可以在連線上產(chǎn)生很大的dv/dt和di/dt的信號。它可以耦合到其它連線上造成電磁干擾。因而元件的選擇對于控制電磁干擾（EMI）至關(guān)重要，而且電路板的布局和連線也具有同等重要的影響。
2.1 電源電路中電磁干擾的產(chǎn)生
2.1.1 元件選擇不合理
在電源電路中，高頻開關(guān)器件、高頻變壓器、電感等的使用，為輻射型電磁干擾的產(chǎn)生帶來了可能。
2.1.2 元器件布局不合理
元器件布局的合理性直接關(guān)系到電源電路EMI水平的好壞。電源電路中功率器件的切換可以在連續(xù)上產(chǎn)生很大的干擾信號，它可以耦合到其它連線上造成干擾問題，布局時要進(jìn)行特殊注意。
2.1.3 布線不合理
電源電路中的走線，應(yīng)該保護(hù)接地層不向電路的敏感部分耦合噪聲，高頻電流地于敏感電路會產(chǎn)生不可忽視的影響。研究表明，高頻開關(guān)電源電路中的EMI指標(biāo)往往可以在不增加任何元器件的改變線路的條件睛通過修改布線設(shè)計而得到改善。
2.2 多層布線對抑制電磁干擾的作用
這里從布線的角度，針對多層布線在抑制電磁干擾方面的作用加以分析。
2.2.1 布線中的一些規(guī)則
高速信號線要短，信號線和信號回路線所形成的環(huán)路面積要最小。為避免信號之間的相互串?dāng)_，兩條信號線切忌平行，而應(yīng)采取垂直交叉方式；或者拉開兩線之間的距離；也可在兩條平行的信號線之間增設(shè)一條地線。連線和電源線的走向盡量與數(shù)據(jù)傳輸方向垂直。地線的設(shè)計不應(yīng)該斷開，而應(yīng)該設(shè)計成環(huán)路，這樣可以避免地線上出現(xiàn)較大的電位差而引起地電位波動，導(dǎo)致信號波形產(chǎn)生振蕩、電路誤動作。
2.2.2 多層布線在抑制電磁干擾中的作用
上面給出了布線的一些規(guī)則。采用單面板、雙面板設(shè)計電源電路時有些規(guī)則并不能得到很好地實現(xiàn)。多層布線的使用彌補了這些不足。高密度的電源電路板上，兩個或更多導(dǎo)體靠得比較近時，它們之間存在容性耦合，一個導(dǎo)體上的大幅度電壓變化會向其它導(dǎo)體耦合電流。一般可以通過增加它們之間的距離或在導(dǎo)體之間增加一條接地線來消除耦合，但應(yīng)該保證接地層不向電路的敏感部分耦合噪聲，否則會對敏感電路產(chǎn)生不可忽視的影響。采用多層布線方式，電源、地線和信號分別占有獨立的層面（如圖1所示），這樣由整個層面構(gòu)成的電源線和接地線阻抗相當(dāng)?shù)?。電路板的分布電容由各層之間的距離和介電系數(shù)來決定，約為 10～1000pF/cm2。圖1中的E層上下表面經(jīng)過絕緣處理，既能預(yù)防線路板向外輻射噪聲，又能防止線路板接受外來噪聲；同時，電源線被密封在板內(nèi)，幾乎不接受任何外來噪聲，而且內(nèi)部幾個供電面之間有很大的靜電電容，形成阻抗極低的供電線路，極大地提高了抗噪性能。
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