【導(dǎo)讀】本講介紹過孔、45度角的路徑、短截線、樹型信號(hào)線排列、輻射型信號(hào)線排列等十大PCB布線技術(shù)，列出實(shí)用且經(jīng)過驗(yàn)證的PCB布線的通用規(guī)則和注意事項(xiàng)，并給出去耦電容的走線設(shè)計(jì)的實(shí)際案例分析。
本期大講臺(tái)推出EMC工程師網(wǎng)友楊鵬關(guān)于高速PCB的EMC設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)力作：詳細(xì)完整的一一剖析高速印制電路板中布局、布線、接地的EMC設(shè)計(jì)，并通過具體的實(shí)際案例，重點(diǎn)介紹高速印制電路板中的I/O端、混合數(shù)/模、時(shí)鐘、電源、信號(hào)完整性等電磁兼容設(shè)計(jì)。全文中所列的設(shè)計(jì)規(guī)則，可以幫助大家在PCB設(shè)計(jì)中解決大部分的電磁兼容問題，再通過少量外圍瞬態(tài)抑制器件和濾波電路及適當(dāng)?shù)耐鈿て帘魏驼_的接地，就可以輕松完成一個(gè)滿足電磁兼容要求的產(chǎn)品。
第一講 PCB元器件的EMC布局設(shè)計(jì)
第二講 PCB的EMC布線之分割、反射干擾抑和去耦電容配置
PCB EMC設(shè)計(jì)十大布線技術(shù)
（1）過孔：過孔一般被使用在多層印制線路板中。當(dāng)是高速信號(hào)時(shí)，過孔產(chǎn)生1到4nH的電感和0.3到0.5pF的電容。因此，當(dāng)鋪設(shè)高速信號(hào)通道時(shí)，過孔應(yīng)該被保持絕對(duì)的最少。對(duì)于高速的并行線（如地址和數(shù)據(jù)線），如果層的改變是不可避免，應(yīng)該確保每根信號(hào)線的過孔數(shù)一樣。
（2）45度角的路徑：與過孔相似，直角的轉(zhuǎn)彎路徑應(yīng)該被避免，因?yàn)樗趦?nèi)部的邊緣能產(chǎn)生集中的電場。該場能耦合較強(qiáng)噪聲到相鄰路徑，因此，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)路徑時(shí)全部的直角路徑應(yīng)該采用45度。圖5是45度路徑的一般規(guī)則。
（3）短截線：如圖 6所示短截線會(huì)產(chǎn)生反射，同時(shí)也潛在增加輻射天線的可能。雖然短截線長度可能不是任何系統(tǒng)已知信號(hào)波長的四分之一整數(shù)，但是附帶的輻射可能在短截線上產(chǎn)生振蕩。因此，避免在傳送高頻率和敏感的信號(hào)路徑上使用短截線。
（4）樹型信號(hào)線排列：雖然樹型排列適用于多個(gè)PCB印制線路板的地線連接，但它帶有能產(chǎn)生多個(gè)短截線的信號(hào)路徑。因此，應(yīng)該避免用樹型排列高速和敏感的信號(hào)線。
（5）輻射型信號(hào)線排列：輻射型信號(hào)排列通常有最短的路徑，以及產(chǎn)生從源點(diǎn)到接收器的最小延遲，但是這也能產(chǎn)生多個(gè)反射和輻射干擾，所以應(yīng)該避免用輻射型排列高速和敏感信號(hào)線。
（6）不變的路徑寬度：信號(hào)路徑的寬度從驅(qū)動(dòng)到負(fù)載應(yīng)該是常數(shù)。改變路徑寬度時(shí)路徑阻抗（電阻，電感，和電容）會(huì)產(chǎn)生改變，從而產(chǎn)生反射和造成線路阻抗不平衡。所以最好保持路徑寬度不變。
（7）洞和過孔密集：經(jīng)過電源和地層的過孔的密集會(huì)在接近過孔的地方產(chǎn)生局部化的阻抗差異。這個(gè)區(qū)域不僅成為信號(hào)活動(dòng)的“熱點(diǎn)”，而且供電面在這點(diǎn)是高阻，影響射頻電流傳遞。
（8）切分孔隙：與洞和過孔密集相同，電源層或地線層切分孔隙（即長洞或?qū)捦ǖ溃?huì)在電源層和地層范圍內(nèi)產(chǎn)生不一致的區(qū)域，就像絕緣層一樣減少他們的效力，也局部性地增加了電源層和地層的阻抗。
（9）接地金屬化填充區(qū)：所有的金屬化填充區(qū)應(yīng)該被連接到地，否則，這些大的金屬區(qū)域能充當(dāng)輻射天線。
（10）最小化環(huán)面積：保持信號(hào)路徑和它的地返回線緊靠在一起將有助于最小化地環(huán)，因而，也避免了潛在的天線環(huán)。對(duì)于高速單端信號(hào)，有時(shí)如果信號(hào)路徑?jīng)]有沿著低阻的地層走，地線回路可能也必須沿著信號(hào)路徑流動(dòng)來布置。
PCB EMC設(shè)計(jì)布線注意事項(xiàng)
采用平行走線可以減少導(dǎo)線電感，但導(dǎo)線之間的互感和分布電容會(huì)增加，如果布局允許，電源線和地線最好采用井字形網(wǎng)狀布線結(jié)構(gòu)，具體做法是印制板的一面橫向布線，另一面縱向布線，然后在交叉孔處用金屬化孔相連。
為了抑制印制板導(dǎo)線之間的串?dāng)_，在設(shè)計(jì)布線時(shí)應(yīng)盡量避免長距離的平行走線，盡可能拉開線與線之間的距離，信號(hào)線與地線及電源線盡可能不交叉。在一些對(duì)干擾十分敏感的信號(hào)線之間設(shè)置一根接地的印制線，可以有效地抑制串?dāng)_。
為了避免高頻信號(hào)通過印制導(dǎo)線時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射，在印制線路板布線時(shí)， 需注意以下幾點(diǎn)：
- 布線盡可能把同一輸出電流而方向相反的信號(hào)利用平行布局方式來消除磁場干擾。
- 盡量減少印制導(dǎo)線的不連續(xù)性，例如導(dǎo)線寬度不要突變，導(dǎo)線的拐角應(yīng)大于90度，禁止環(huán)狀走線等。
- 時(shí)鐘信號(hào)引線最容易產(chǎn)生電磁輻射干擾，走線時(shí)應(yīng)與地線回路相靠近。
- 總線驅(qū)動(dòng)器應(yīng)緊挨其欲驅(qū)動(dòng)的總線。對(duì)于那些離開印制線路板的引線，驅(qū)動(dòng)器應(yīng)緊緊挨著連接器。
- 由于瞬變電流在印制線條上所產(chǎn)生的沖擊干擾主要是由印制導(dǎo)線的電感成分造成的，因此應(yīng)盡量減小印制導(dǎo)線的電感量。印制導(dǎo)線的電感量與其長度成正比，與其寬 度成反比，因而短而精的導(dǎo)線對(duì)抑制干擾是有利的。時(shí)鐘引線、行驅(qū)動(dòng)器或總線驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)線常常載有大的瞬變電流，印制導(dǎo)線要盡可能短。對(duì)于分立元件電路， 印制導(dǎo)線寬度在1.5mm左右時(shí)，即可完全滿足要求；對(duì)于集成電路，印制導(dǎo)線寬度可在0.2～1.0mm之間選擇。
- 發(fā)熱元件周圍或大電流通過的引線盡量避免使用大面積銅箔，否則，長時(shí)間受熱時(shí)，易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象。必須用大面積銅箔時(shí)，最好用柵格狀，這樣有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體。
- 焊盤中心孔要比器件引線直徑稍大一些。焊盤太大易形成虛焊。焊盤外徑D一般不小于(d+1.2) mm，其中d為引線孔徑。對(duì)高密度的數(shù)字電路，焊盤最小直徑可取(d+1.0)mm。
印刷線路板的布線還要注意以下問題：
- 專用零伏線，電源線的走線寬度≥1mm；
- 電源線和地線盡可能靠近，以便使分布線電流達(dá)到均衡；
- 要為模擬電路專門提供一根零伏線；
- 為減少線間串?dāng)_，必要時(shí)可增加印刷線條間距離；
- 有意安插一些零伏線作為線間隔離；
- 印刷電路的插頭也要多安排一些零伏線作為線間隔離；
- 特別注意電流流通中的導(dǎo)線環(huán)路尺寸；
- 如有可能，在控制線（于印刷板上）的入口處加接R-C濾波器去耦，以便消除傳輸中可能出現(xiàn)的干擾因素。
下頁內(nèi)容：PCB布線規(guī)則和去耦電容走線實(shí)例
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PCB布線通用規(guī)則：
在設(shè)計(jì)印制線路板時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
(1) 從減小輻射騷擾的角度出發(fā)，應(yīng)盡量選用多層板，內(nèi)層分別作電源層、地線層，用以降低供電線路阻抗，抑制公共阻抗噪聲，對(duì)信號(hào)線形成均勻的接地面，加大信號(hào)線和接地面間的分布電容，抑制其向空間
輻射的能力。
(2) 電源線、地線、印制板走線對(duì)高頻信號(hào)應(yīng)保持低阻抗。在頻率很高的情況下，電源線、地線、或印制板走線都會(huì)成為接收與發(fā)射騷擾的小天線。降低這種騷擾的方法 除了加濾波電容外，更值得重視的是減小電源線、地線及其他印制板走線本身的高頻阻抗。因此，各種印制板走線要短而粗，線條要均勻。
(3) 電源線、地線及印制導(dǎo)線在印制板上的排列要恰當(dāng)，盡量做到短而直，以減小信號(hào)線與回線之間所形成的環(huán)路面積。
(4) 時(shí)鐘發(fā)生器盡量靠近到用該時(shí)鐘的器件。
(5) 石英晶體振蕩器外殼要接地。
(6) 用地線將時(shí)鐘區(qū)圈起來，時(shí)鐘線盡量短。
(7) 印制板盡量使用45°折線而不用90°折線布線以減小高頻信號(hào)對(duì)外的發(fā)射與耦合。
(8) 單面板和雙面板用單點(diǎn)接電源和單點(diǎn)接地；電源線、地線盡量粗。
(9) I/O驅(qū)動(dòng)電路盡量靠近印刷板邊的接插件，讓其盡快離開印刷板。
(10) 關(guān)鍵的線要盡量粗，并在兩邊加上保護(hù)地。高速線要短而直。
(11) 元件引腳盡量短，去耦電容引腳盡量短，去耦電容最好使用無引線的貼片電容。
(12) 對(duì)A/D類器件，數(shù)字部分與模擬部分地線寧可統(tǒng)一也不要交叉。
(13) 時(shí)鐘、總線、片選信號(hào)要遠(yuǎn)離I/O線和接插件。
(14) 模擬電壓輸入線、參考電壓端要盡量遠(yuǎn)離數(shù)字電路信號(hào)線，特別是時(shí)鐘。
(15) 時(shí)鐘線垂直于I/O線比平行I/O線干擾小，時(shí)鐘元件引腳需遠(yuǎn)離I/O電纜。
(16) 石英晶體下面以及對(duì)噪聲敏感的器件下面不要走線。
(17) 弱信號(hào)電路，低頻電路周圍不要形成電流環(huán)路。
(18) 任何信號(hào)都不要形成環(huán)路，如不可避免，讓環(huán)路區(qū)盡量小。
去耦電容走線實(shí)例分析
減少高速電路或芯片噪聲干擾的一個(gè)重點(diǎn)就是旁路電容，電容的走線設(shè)計(jì)關(guān)系到其實(shí)際的去耦效果[2]，實(shí)例如下：
（1）VCC和GND通向電源，噪聲電流未經(jīng)過去耦電容，去耦電容不起作用。
（2）GND將噪聲導(dǎo)入系統(tǒng)GND中，噪聲電流部分通過去耦電容，去耦電容效果微弱。
（3）GND將噪聲導(dǎo)入系統(tǒng)GND中，噪聲電流部分通過去耦電容，去耦電容效果微弱
（4）VCC和GND通向電源，噪聲未經(jīng)過去耦電容，去耦電容不起效果
（5）GND未短接入去耦電容，在GND與去耦電容之間存在高頻阻抗，去耦電容效果較差。
（6）去耦電容被正確連接到CPU和電源，高頻干頻電流將經(jīng)由去耦電容，去耦效果最好。
第一講 PCB元器件的EMC布局設(shè)計(jì)
第二講 PCB的EMC布線之分割、反射干擾抑和去耦電容配置
