今天咱们聊一个六层 PCB 高频应用的 “老大难” 问题 ——电磁兼容(EMC)设计。很多工程师都遇到过:六层高频板的性能指标都达标,但一进行 EMC 测试就超标,要么是辐射发射过高,要么是传导发射不合格。
问:什么是 PCB 的 EMC?高频通信中,EMC 问题为什么这么突出?答:PCB 的电磁兼容(EMC),指的是 PCB 在工作时,既不产生过量的电磁干扰,又能抵抗外界电磁干扰的能力。它包含两个方面:一是电磁干扰(EMI),即 PCB 自身产生的电磁波对其他设备的干扰;二是电磁敏感度(EMS),即 PCB 抵抗外界电磁波干扰的能力。
在高频通信中,EMC 问题特别突出,原因有三点:第一,高频信号的频率高,波长短,PCB 上的信号线很容易成为 “天线”,辐射出电磁波;第二,六层 PCB 的信号层多,信号线密集,不同频率的信号之间容易发生串扰;第三,高频通信设备的功率密度大,功率放大器等器件会产生强电磁辐射,干扰周围的敏感电路。
如果 EMC 设计不到位,不仅产品过不了认证,还会导致通信质量下降,比如信号灵敏度降低、误码率升高。
问:六层 PCB 的结构优势,在 EMC 设计中能发挥什么作用?答:六层 PCB 之所以比四层板更适合高频 EMC 设计,核心在于它的分层结构可以实现 “信号、电源、接地的独立布局和屏蔽”,这是四层板无法比拟的。具体优势有三点:
独立接地层形成 “屏蔽腔”六层 PCB 的典型结构中有 1-2 个独立的接地层,这些接地层可以像 “盾牌” 一样,将信号层包裹起来。比如顶层信号层紧邻接地层,内层信号层夹在接地层和电源层之间,接地层能吸收信号辐射的电磁波,防止其向外辐射;同时,也能阻挡外界的电磁波干扰信号层。
独立电源层降低电源噪声六层 PCB 有专门的电源层,大面积的电源层可以降低电源阻抗,减少电源纹波;同时,电源层和接地层紧密贴合,形成的 “寄生电容” 可以滤除高频噪声,为芯片提供干净的电源,从源头减少噪声干扰。
多信号层实现 “频率分区”六层 PCB 有 4 个信号层,可以将不同频率的信号分开布局。比如将高频射频信号布局在顶层和底层,将低速控制信号布局在内层;将发射信号和接收信号布局在不同的信号层,中间用接地层隔离,避免高频信号干扰低速信号,发射信号干扰接收信号。
问:六层 PCB 高频 EMC 设计的核心技巧有哪些?一步步教你做。答:六层 PCB 的高频 EMC 设计,不是靠 “运气”,而是靠 **“分层布局、布线规则、接地技巧”** 三大核心技巧,只要掌握这些技巧,就能大幅提升 EMC 性能。
分层布局:打好 EMC 设计的基础推荐采用“信号 - 接地 - 信号 - 电源 - 信号 - 信号”的六层结构(根据实际需求调整),遵循两个原则:
原则一:高频信号层必须紧邻接地层,比如顶层射频信号层下面就是接地层,这样可以最大限度减少辐射损耗和 EMI。
原则二:电源层和接地层尽量紧密贴合,间距越小越好,这样形成的寄生电容越大,滤波效果越好。
布线规则:从细节上减少干扰
高频信号线要短而直,避免直角转弯,直角转弯会导致阻抗突变,产生辐射;尽量采用 45° 转弯或圆弧转弯。
差分信号线要严格等长、等距,间距保持一致,避免差分信号变成单端信号,产生共模辐射。
不同频率的信号线要保持足够的间距,间距一般不小于信号线宽度的 3 倍;高频射频线和低速控制线之间,最好用接地过孔隔离。
信号线不要跨过接地层的 “大挖空” 区域,否则会导致信号的回流路径变长,辐射增强。
接地技巧:EMC 设计的 “灵魂”
接地层要尽量完整,避免大面积挖空,尤其是高频信号层对应的接地层,挖空会破坏屏蔽效果。
敏感器件(比如低噪声放大器、射频接收器)的下方,要做“接地过孔阵列”,过孔间距一般为 0.5-1mm,将器件的金属外壳接地,增强屏蔽效果。
高频器件的电源引脚和接地引脚之间,要就近放置去耦电容,电容值一般选择 0.1μF 的陶瓷电容,电容要靠近引脚,缩短电流路径。
采用“单点接地”或“分区接地”方式,将射频地、数字地、电源地分开布局,最后在一点汇合,避免不同地之间的电流相互干扰。
屏蔽措施:对付强干扰的 “杀手锏”对于辐射特别强的器件(比如功率放大器),可以在六层 PCB 上设计“金属屏蔽罩”,屏蔽罩通过接地过孔和接地层连接,将器件包裹起来,阻止电磁辐射外泄;同时,屏蔽罩也能阻挡外界的电磁干扰。
EMC 设计是一个系统工程,六层 PCB 的结构优势为 EMC 设计提供了很好的基础,只要掌握核心技巧,就能实现高频通信的 “零干扰”。