PCB的EMC设计（一）：层的设置与排布原则-电子发烧友网

PCB的电磁兼容性(EMC)设计首先要考虑层的设置，这是因为单板层数的组成、电源层和地层的分布位置以及平面的分割方式对EMC性能有着决定性的影响。

为昕Mars PCBlayer stack

层数的合理规划

确定PCB层数时需要综合考虑几个因素：电源和地平面的需求、信号密度、工作频率、特殊信号布线需求以及成本限制。对于对EMC要求严格的产品(如需通过CISPR16 CLASSB认证)，适当增加地平面层数是提高电磁兼容性的有效方法。

电源层和地层的设计考量

电源层数量取决于产品所需的电源种类：

· 单一电源供电的PCB只需一个电源平面

· 多种不交叉的电源可以在同一层进行分割处理

· 多种交错电源需要两个或更多电源平面

地层的设计原则包括：

· 元件层下方应有完整地平面

· 高频信号、高速信号和时钟信号附近需要地平面

· 关键电源应与对应地平面相邻

信号层数量确定

信号层数主要取决于功能实现需求。EDA软件可以提供布局密度参数报告，帮助估算所需信号层数。从EMC角度，需特别考虑关键信号网络(强辐射网络和易受干扰的弱信号)的屏蔽或隔离措施。

电源层、地层与信号的相对位置

层的排布一般原则：

1. 元件层下面(第二层)应为地平面，为顶层提供参考平面和屏蔽

2. 信号层应尽可能与地平面相邻，避免两个信号层直接相邻

3. 主电源层应与对应地层相邻，利用两者耦合降低电源平面阻抗

4. 需考虑层压结构的对称性

对于高频电路(50MHz以上)的母板排布建议：

1. 元件面和焊接面应有完整的地平面提供屏蔽

2. 避免相邻层出现平行布线

3. 所有信号层应尽可能与地层相邻

4. 关键信号布线应与地层相邻且不跨越分割区

在实际应用中，这些原则需要根据具体电路特点灵活掌握，避免教条式应用。层的最佳设置应根据单板的实际需求、关键信号布线要求以及电源地平面分割情况综合考虑。

以下为单板层的排布的具体探讨：

四层板：优选方案1，可用方案3

方案	电源层数	地层数	信号层数	1	2	3	4
1	1	1	2	S	G	P	S
2	1	1	2	G	S	S	P
3	1	1	2	S	P	G	S

方案1：

此为CAD室采用的四层标准方案，将地平面设置在元件层下方，关键信号优先布置在TOP层。这种设计在层厚设置上建议确保满足阻抗控制需求，并保持GND与POWER之间的芯板厚度较薄，以降低分布阻抗，提升去耦效果。

方案2：

有些设计者尝试将电源层和地平面放在外层(TOP和BOTTOM)以增强屏蔽效果，但这种方案存在明显缺陷：电源层与地平面距离过远导致电源平面阻抗增大；外层由于元件焊盘影响导致参考平面不完整；信号阻抗不连续。尤其在表贴器件密集的情况下，外层几乎无法形成完整参考平面，预期的屏蔽效果难以实现。

方案3：

然而，在特定情况下，将地平面置于外层的方案也有其独特优势。例如在某产品的接口滤波板设计中，由于板上无电源平面、贴片元件较少且多为单面布局、走线简单但辐射控制要求高，采用GND-S1-S2-PGND的层叠结构反而成为理想选择。这种设计让走线得到良好屏蔽，传输线辐射得到有效控制。通过在S1布线层铺铜，还能为表层走线提供参考平面。

这一特例说明，层排布设计应基于对原则的理解灵活应用，而非机械照搬。类似的方案适用于主要器件在BOTTOM布局或关键信号需要底层布线的情况，但一般情况下应限制使用。

六层板：优选方案3，可用方案1，备用方案2、4

方案	电源	地	信号	1	2	3	4	5	6
1	1	1	4	S1	G	S2	S3	P	S4
2	1	1	4	S1	S2	G	P	S3	S4
3	1	2	3	S1	G1	S2	P	G2	S3
4	1	2	3	S1	G1	S2	G2	P	S3

对于六层板，推荐采用在中间设置电源和地平面的方案，优选布线层S2，其次S3和S1。方案3层厚设置时，应增大S2-P间距，缩小P-G2间距，以减小电源平面阻抗和电源对信号的影响。成本要求较高时可考虑其他方案，但需权衡信号完整性和参考平面质量。

八层板：优选方案2、3，可用方案1

八层PCB设计中，推荐采用在中间层设置电源和地平面的结构，优选布线层S2、S3、S4。这种设计兼顾性能与成本，但需注意避免相邻信号层之间的平行长距离布线。对于EMC要求特别高的场合，可考虑牺牲一个布线层换取更好的电磁屏蔽效果。

十层板：优选方案2、3，可用方案1、4

方案3采用了较为均衡的层叠结构，建议扩大3-4层与7-8层之间的间距，同时缩小5-6层间距。主电源及其对应地平面应设置在6、7层位置。在信号布线优先级上，S2、S3和S4层为首选布线层，S1和S5层次之。这种方案的优势在于兼顾了EMC性能与成本效益，特别适合各信号布线要求相近的应用场景。使用此方案时需要特别注意避免S2与S3层之间出现平行的长距离布线，以减少层间串扰。

方案4则提供了更优异的EMC性能，但代价是牺牲了一个布线层。相比方案3，它的层叠结构更有利于电磁屏蔽和信号完整性。这种设计特别适用于那些对EMC指标要求严格、成本限制相对宽松且必须使用双电源层的关键电路板。在此方案中，S2和S3是优先推荐的布线层。

对于只需要单电源层的PCB设计，建议首选方案2，其次考虑方案1。值得注意的是，虽然方案1具有明显的成本优势，但由于其结构中存在较多相邻布线层，在设计时难以有效控制平行长线，可能带来信号完整性问题。

十二层板：推荐方案2、3，可用方案1、4，备用方案5