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博客作者：Dario Fresu
在設(shè)計電磁兼容性（EMC）表現(xiàn)優(yōu)異的 PCB 時，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，是因為它與 PCB 設(shè)計中電磁場的約束緊密相關(guān)。
在 “掌握 PCB 設(shè)計中的 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)計要點。
對于信號在電路中的傳播，需要兩個導(dǎo)體形成完整的電流環(huán)路：一個導(dǎo)體傳輸信號，另一個提供返回路徑，以確保電流流通并有效傳輸信號。我們將前者稱為信號導(dǎo)體，后者稱為信號返回與參考導(dǎo)體—— 后者之所以得名，不僅因為它為信號提供參考電位（或零電位），還因為它必須為信號電流返回源端提供最小阻抗路徑。為實現(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)致信號阻抗不連續(xù)的結(jié)構(gòu)。
從這一基本概念可知，每個信號層都需搭配第二個導(dǎo)體（即返回參考平面）以提供返回和參考路徑。遵循這一簡單規(guī)則，我們可通過為每個信號層匹配相鄰的返回參考平面（RRP）來設(shè)計疊層結(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
對于雙層板疊層，一種配置是：一層專門用于信號和電源走線，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，同時避免信號走線跨越間隙 —— 這會導(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、需要第二層信號層時，四層板疊層更為適用。盡管三層板可實現(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 層為信號平面，第 2 層和第 3 層分別為第 1 層和第 4 層信號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場相互干擾，確保每個信號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；
- 為跨層信號提供返回和參考路徑。
此時，電源也可布設(shè)在信號層。
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，因為從 EMC 設(shè)計角度不建議這樣做 —— 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 層為額外信號層。此配置中，第 2 層和第 5 層可作為所有四個信號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)生的變化磁場誘導(dǎo)渦流，抑制導(dǎo)體中心的電流流動并迫使電流向表面聚集。在此類疊層中，電源網(wǎng)絡(luò)可與信號層共面布設(shè)。
2. 疊層 2：信號布設(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導(dǎo)致輻射發(fā)射），應(yīng)為每個電壓單獨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)層信號層與電源層間距足夠大以避免耦合干擾，同時最大化信號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 實現(xiàn)簡單多層疊層設(shè)計
幸運(yùn)的是，Altium Designer? 的集成層疊管理器工具可簡化 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)計師的工作復(fù)雜度；還可創(chuàng)建更高級的疊層類型，并直接計算信號特征阻抗（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 項目創(chuàng)建，讓設(shè)計流程不僅更輕松，也更具愉悅性。
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