【Altium】掌握 PCB 設(shè)計(jì)中的 EMI 控制之如何為 EMC 設(shè)計(jì)選擇疊層結(jié)構(gòu)
2025-07-11
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(jiǎn)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：1. 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。2. 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：1. 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?。@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)。2. 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?jiǎn)为?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(jiǎn)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(jiǎn)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。本文轉(zhuǎn)自Altium公眾號(hào)+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++關(guān)于億道電子上海億道電子技術(shù)有限公司是國(guó)內(nèi)資深的研發(fā)工具軟件提供商，公司成立于2009年，面向中國(guó)廣大的制造業(yè)客戶提供研發(fā)、設(shè)計(jì)、管理過程中使用的各種軟件開發(fā)工具，致力于幫助客戶提高研發(fā)管理效率、縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，提升產(chǎn)品可靠性。十多年來，先后與ARM、Altium、Ansys、QT、Green Hills、Minitab、EPLAN、QA Systems、OpenText、Visu-IT、HighTec、PLS、Ashling、MSC Software、Autodesk、Source Insight、IncrediBuild、Lauterbach、Adobe、Testplant、TeamEDA等多家全球知名公司建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，并作為他們?cè)谥袊?guó)區(qū)的主要分銷合作伙伴服務(wù)了數(shù)千家中國(guó)本土客戶，為客戶提供從芯片級(jí)開發(fā)工具、EDA設(shè)計(jì)工具、軟件編譯以及測(cè)試工具、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具、仿真工具、電氣設(shè)計(jì)工具、以及嵌入式GUI工具等等。億道電子憑借多年的經(jīng)驗(yàn)積累，真正的幫助客戶實(shí)現(xiàn)了讓研發(fā)更簡(jiǎn)單、更可靠、更高效的目標(biāo)。歡迎關(guān)注“億道電子”公眾號(hào)了解更多研發(fā)工具軟件知識(shí)
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