1.概述

EMC-ElectromagneticCompatibility（电磁兼容性）的设计其实是硬件产品设计中的一个重要技术壁垒，严重影响到产品的质量、时间和成本。

我们先来看下EMC的定义，参考国家军用标准（GJB72-85）《电磁干扰和电磁兼容性名词术语》第5.10中定义：“设备（分系统、系统）在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。即：该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级；它也不会使同一电磁环境中的其他设备（分系统、系统），因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。”

在PCB的EMC设计考虑中，首先涉及到便是层的设计，所以本次内容主要以层的设计分析讨论为主。我们都知道单板的层由电源层、地层、信号层组成，电源层、地层、信号层的层数和相对位置，以及电源、地平面的分割对单板的EMC指标至关重要。

2.叠层数的合理设计

影响单板层数的关键因素：

电源、地的种类、信号密度、板级工作频率、有特殊不限要求的信号数量，以及综合单板的性能指标要求和成本的承受力。

2.1电源和地的层数影响分析

单板的电源层数由其种类的数量决定：

1）对于单一电源供电的PCB，一个电源平面就足够了；

2）对于多种电源供电的PCB需要分两种情况来看：

-如果电源互补交错，可以考虑采用电源层分割，但是需要保证相邻层的关键信号布线不夸分割区。

-如果电源相互交错，即多种电源供电，且相互交错，这种情况下需要考虑采用2个或者以上的电源平面，每个电源平面的设置需要满足以下条件：

*单一电源或多个互补交错的电源；

*相邻层的关键信号不跨分割区；

3）地的层数除了满足电源平面的要求外，还需要考虑

-元器件摆件层的下面（即第二层或者倒数第二层）有相对完整的地平面；

-高频、高速、时钟、音频等敏感性的关键信号至少有一相邻地平面层；

-关键电源有对应地平面相邻（如VRF与RFGND相邻）。

2.2信号层数的影响分析

信号层数的确定，最好能通过CAD软件先做初步分析。一般我们会先将网表调入EDA软件，由EDA软件提供一份布局、布线密度参考报告，由此参数可以对信号层数有个大致的判断。

同时，要结合板级工作频率、有特殊布线要求的信号数量，以及单板的性能指标要求与成本承受能力，最后确定单板的信号层数。

从上面描述来看，我们很容易看出，信号层数主要取决于功能实现，从EMC角度看，需要考虑关键信号的屏蔽或隔离措施，关键信号主要包括两大类：

1）强辐射网络：比如射频信号、时钟信号、高功率、大电流信号等；

2）易受干扰的小、弱信号：比如采样信号、传感器信号、音频信号等。

3.合理的安排电源层、底层、信号层的相对位置

在开始分析电源层、底层、信号层的相对位置之前，我们先来看看电源层、底层的特性及其之间的EMC环境问题：

1）电源、地平面存在的自身阻抗特性：

-电源平面的阻抗比地平面的阻抗要高；

-降低电源平面阻抗的方法：尽量将PCB的主电源平面与其对应的地平面相邻排布，并且尽量靠近。这样可以利用地平面和电源平面形成的耦合电容，来降低电源平面的阻抗。

-电源地平面会形成平面电容，和PCB上的退耦电容一起构成频响曲线比较复杂的电源地电容，它的有效退耦频带比较宽。（但存在谐振问题）

2）电源、地平面作为参考平面，两者的作用和区别。

-电源平面和地平面都可以作为参考平面，且有一定的屏蔽作用；

-电源平面具有较高的特性阻抗，与参考电平存在较大的电位势差；

-从屏蔽角度来看，地平面一般均作为接地处理，并作为基准电平参考点，其屏蔽效果远远好于电源平面。

所以，在选择参考平面时，优先选择地平面。

3.1电源、地、信号层的叠层设计

当我们把电源层数、地层数、信号层数都确认完之后，下一步需要考虑的就是叠层的设计，也就是说电源层、地层、信号层的相对位置的设计。在做叠层设计分析之前我们先说几个一般原则。

3.1.1叠层设计的一般准则

1）单板层的叠层设计一般原则：

a、元器件面下层（第二层）为地平面，提供元器件屏蔽层以及为元器件层布线提供参考平面；

b、所有信号层尽可能与地平面相邻；

c、尽量避免两信号层直接相邻，如果无法避免，相邻信号层走线避免平行，尽可能垂直布线；

d、主电源层尽可能与其对应的地平面相邻；

e、兼顾层压结构对称。

2）母板层的叠层设计一般原则

a、元器件面、焊接面为完整的地平面，做到屏蔽效果；

b、相邻层的走线遵守较差不平行原则，做到无相邻平行布线层；

c、所有信号层尽可能与地平面相邻；

d、关键信号与地层相邻（条件允许可以相邻两层皆为地，做到最近屏蔽），并且做到不跨越分割区。

以上原则并非一成不变，需要在设计中进行灵活应用，因为设计中往往会考虑诸多因素，如成本、质量、时间等，所以，需要做综合考虑。

下面我们以单板为例做叠层设计分析，将逐步分析4层板，6层板，8层板，10层板，12层板。

3.1.24层板叠层设计分析

在PCB多层板设计中，四层板一般运用得比较多。四层板也有其自身的设计形式和设计规则：

3.1.2.1、四层板的设计形式：

（1）均匀间距：最大的优点在于电源和地之间的间距很小，可以大幅度降低电源的阻抗，提高电源的稳定性。缺点在于两层信号层的阻抗较高，而且由于信号层和参考平面之间的间距较大，增加了信号回流的面积，EMI较强。

（2）非均匀间距：采用非均匀间距的设计，可以较好地控制阻抗，信号靠近参考平面也有利于提高信号的质量，减少EMI。缺点就是电源和地之间的间距太大，可造成电源和地的耦合减弱，阻抗增加，但可以通过增加旁路电容来改善。

2、四层板的结构：

图

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1）4层板叠层设计方案1

此方案为推荐的最佳主选方案，在CAD实验室仿真中也是主选层设置方案，其中S1为PCB的TOP层，也是元器件层，下方第二层是地平面符合我们的设计原则。该方案中，我们推荐关键信号优先布在top层（S1）。

层厚设置推荐如下：

a、满足阻抗控制

b、芯板（G和P之间称为芯板）不宜过厚，以降低电源、地平面的分布阻抗；保证电源平面的去耦效果。

2）4层板叠层设计方案2

此方案把电源和地平面放在PCB板的TOP和BOTTOM层，可以达到最佳的屏蔽效果，但是也存在一些弊端：

1、不适用于器件多且有大量贴片器件PCB方案，对于贴片器件密集的方案，TOP层或者BOTTOM层的几乎无法做到电源或者地平面的完整；

2、电源、地平面相距过远，电源平面的阻抗较大；

3、电源、地平面由于元器件焊盘等因素影响极不完整，导致参考面不完整，信号阻抗不连续。

那么方案2一般适用于哪些产品呢，具备一下特征的产品可以采用方案2来设计，会有较佳的屏蔽效果：

a、整板无电源平面，只有GND或者PGND地平面，这样不存在电源平面阻抗问题；

b、整板走线简单，但是对辐射要求很高，这样线都在内层，TOP和BOTTOM通过地包裹，走线得到很好的屏蔽，传输线的辐射也得到很好的控制；

c、贴片元器件少，多数为插件，这样元器件对表层的参考平面不会造成多大影响，参考平面完整性得到基本保证。

方案2适应的产品如：滤波器，接口转接板等。

3）4层板叠层设计方案3

此方案和方案1类似，不做详细阐述，唯一不同的是适用于主要元器件在BOTTOM面布局或关键信号底层布线的情况，一般情况下不建议采用。

对4层板的分析已经涵盖了大部分的排布原则，以下6层、8层、10层、12层，我们就不做重复阐述了，会挑一些干货重点分析和讨论，力求简单易懂。

3.1.2.26层板叠层设计分析

6层之后基本才算真正进入多层叠层设计，多层板的出现是由于电子元件的缩小导致在一块板上设计更多的电路，它们的功能增加了对支持它们的新型PCB设计和制造技术的需求。

6层板选择的堆叠配置在很大程度上取决于您需要完成的设计。如果您有很多信号需要路由，则需要4个信号层进行路由。另一方面，如果优先控制高速电路的信号完整性，则需要选择提供最佳保护的选项。设计良好的6层堆叠可以防止由阻抗和串扰引起的问题，并提高电路板的性能和可靠性。良好的叠层配置还将有助于保护电路板免受外部噪声源的影响。

6层板的可选叠层方案如下（优选方案3）：

1、优选方案3做重点阐述：编辑

搜图这种叠层结构将每个信号层放置在紧邻接地层的位置，以获得最佳的返回路径特性。此外，通过使电源平面和接地平面彼此相邻，可以获得更好的去耦效果。该叠层结构有以下几点建议供参考：

1）在布线时，应S2层优选布线，其次是S3\S1；

2）主电源（P）和对应的地（G2）布置在L4和L5层；

3）层厚度的设置：增大S2-P之间的间距（减小电源对S2的影响），缩小P-G2之间的间距（减少电源平面的阻抗，获得更好的耦合效果），相应缩小G1-S2之间的间距。

2、其他3个方案的简述：

1）方案4：对于局部、少量信号要求较高的场合，方案4比方案3更合适，能提供极佳的布线层S2；

2）方案1：在成本要求较高的情况下，可以考虑选择方案1，优选布线层S1/S2，其次是S3/S4；

3）方案2：该方案可以说是最糟糕的方案，S1/S2/S3/S4几乎全部裸露在外面，没有进行任何的屏蔽，只有电源、地平面相邻，减少电源阻抗这一优点。该方案早期会有使用，现在随着信号完整性和性能的要求越来越高，几乎已经放弃使用。

3.1.2.38层板叠层设计分析

8层板通常我们有5中叠层方式，其中方案2和方案3是比较推荐的。

辑搜图

1、优选方案2适用于单电源方案：

对于单电源的情况下，方案2相比方案1减少了相邻布线层，增加了主电源与对应地平面的相邻，保证了所有信号层和地平面都有相邻，代价是牺牲了一层信号层。图

针对8层板，我们也简单的介绍下每一层适合的走线类型（其他板层也类似，10层12层均可参考这里，就不重复介绍了）：

1）L1层为TOP层，布置主要元器件，一般情况下，微带线走线层；

2）L2层相邻于元器件，作为地平面，有较好的电磁波吸收能力；

3）L3层介于电源和地平面之间，带状线走线层；

4）L4层为电源层，与下面的地层构成优秀的电磁吸收；

5）L5层为地平面成，和L4层的电源层相邻，有效降低L4层（电源层）阻抗；

6）L6层为信号层，带状线走线层，有L5和L7两层地平面夹住，具备最佳的屏蔽效果，敏感线和高功率线可以走在这层；

7）L7层为地平面，较好的电磁波吸收能力；

8）L8层为BOTTOM层，微带线走线层。

2、优选方案3适用于双电源方案：

该方案的具备无相邻布线层、层压结构对称、主电源和地平面相邻等优点，需要注意的是S4尽量减少关键布线。

3、其他方案3个方案的特点：

1）方案1：类同于方案2，但是比方案2多一层信号层，所以该方案主要用于信号线密集，但又不想增加板层的低成本方案会选用；

2）方案4：无相邻走线层、层结构对称，但是电源和地平面阻抗过高，优化这个问题的方法是，可以适当增加L3-L4、L5-L6之间的层间距，缩小L2-L3、L6-L7之间的层间距。对电源阻抗要求比较低的产品可以选用。

3）方案5：保证了电源和地平面相邻，但是S2和S3却相邻（易形成串扰，采用该方案是一定要注意该问题，不允许出现上下层平行线，上下层需要保证垂直交叉走线）。另外S4尽量减少关键布线。

8层板总共推荐可用的5个方案，具体选择哪个，需要根据产品的性能、成本和时间要求来做综合的选择，但是从EMC角度考虑，我个人主推方案2和方案3。

3.1.2.层板叠层设计分析

10层板叠层推荐4种方案，主推方案2和方案3。

编

辑1、优选方案2适用于单电源方案：

对于单电源的情况下，优选方案2，其次选择方案1，方案2的优势在无相邻信号层，确保了信号的相互串扰；主电源和地平面相邻，电源平面阻抗低，具备更好的去耦效果，信号层皆有对应的参考层，缺点是牺牲了一层信号层。

布线时，有限选择S2/S3/S4，其中S2/S3上线层皆有地平面，能做到优良的屏蔽效果，其次在选择在S1/S5层走线。

2、优选方案3适用于双电源方案：

对于双电源的情况下，优选方案3，该方案适合信号部分要求相差不大的场合，兼顾了成本、性能，在设计上有几点需要注意：

1）增加L3-L4、L7-L8之间的各自的层间距；

2）主电源和对应的地应该房子在L6\L7层；

3）优选布线在S2/S3/S4，其次为S1/S5；

3、其他方案2个方案的特点：

方案1：成本最佳，但是相邻布线较多，难以控制平行长线；

方案4：最佳的EMC方案，在成本要求不高，EMC指标要求较高，且必须双电源层的关键单板，可选用。优先布线S2/S3。

2.1.层板叠层设计分析

10层板叠层推荐4种方案，主推方案2和方案3。

编

以上12层板叠层方案中，其中方案2和方案4具有极好的EMC性能，方案1和方案3具有最佳的性价比。

1、优选方案2适用于单电源板方案：

对于单电源的情况下，优选方案2，如果成本要求较高时可以选择方案1替代，方案2的优势在无相邻信号层，确保了信号的相互串扰；主电源和地平面相邻，电源平面阻抗低，具备更好的去耦效果，信号层皆有对应的参考层，缺点是牺牲了一层信号层。

布线时，有限选择S2/S3/S5，其次是S4，最后再考虑S1/S6，其中S2/S3/S5上线层皆有地平面，能做到优良的屏蔽效果，S4也是较佳的走线层，S1/S6最后选择，且要保证尽量走短线。

2、优选方案3适用于双电源板方案：

对于双电源的情况下，优选方案3，该方案适合信号部分要求相差不大的场合，兼顾了成本、性能，在设计上有几点需要注意：

1）增加L5-L6、L8-L9之间的各自的层间距；

2）主电源和对应的地应该房子在L6\L7层；

3）优选布线在S2/S3/S4/S5，其次为S1/S6；

3、其他三种方案：

1）方案4具备极好的EMC性能，但是与方案3相比较牺牲了一层信号层，，成本要求不高、EMC指标要求较高的情况下，且必须使用双电源层的关键单板，可以选择该方案。优先选择布线S2/S3/S4。

2）方案1具备低成本优势，可以作为方案2的低成本方案；

3）方案5相邻布线较多，难以控制平行长线。由单板信号线情况适当选用。