一文看懂電磁兼容性原理與方法及設計（二）

3、PCB設計技術(shù)

除了元器件的選擇和電路設計外，良好的印制板（PCB）布線(xiàn)在電磁兼容設計中也是一個(gè)非常重要的因素。既然PCB是系統的固有成分，在PCB布線(xiàn)中增強電磁兼容性不會(huì )給產(chǎn)品的*終完成帶來(lái)附加費用，從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)也是非常經(jīng)濟的。
3.1注意電磁兼容設計的帶寬
在EMC中，除了基本頻率外，還需考慮諧波因素，通常取十倍頻，但在數字電路中卻有些不同，比如在時(shí)鐘電路和邏輯門(mén)電路中，輻射帶寬與數字信號的上升沿或下降沿有關(guān)系，而不是數字信號的重復周期，其關(guān)系為：rtF?/1max?，其中rt是脈沖的上升沿時(shí)間。例如，典型時(shí)鐘驅動(dòng)的邊沿速率是2ns，此時(shí)，maxF≈160MHz，再考慮十倍頻，則此時(shí)鐘電路可能產(chǎn)生直到1.6GHz的輻射帶寬。所以在選擇器件時(shí)要選擇慢速的邏輯器件系列，因為器件對電磁輻射貢獻的大小與工作頻率無(wú)直接關(guān)系而只取決于邊沿速率（這和從電路功能設計上選擇快速器件是矛盾的，在電路設計時(shí)需要折中考慮）。還有從器件的抗擾能力上來(lái)說(shuō)，CMOS器件是*好的，因為它的噪聲容限高。從封裝上來(lái)說(shuō)，BGA是*好的，因為它的引線(xiàn)很短。脈沖信號的頻譜如圖3所示。

 

3.2注意用于PCB電磁兼容設計的電路與電路原理圖不同
主要是由于PCB的電路原理圖沒(méi)有考慮電路中元件及PCB線(xiàn)條的分布參數，如分布電感，分布電容，分布互感，分布互電容以及傳輸延遲等項。例如導線(xiàn)在高頻時(shí)等效于電感和電阻的串聯(lián)。開(kāi)關(guān)速度越高，對負載阻抗的要求就越高，要求時(shí)鐘驅動(dòng)器的輸出阻抗必須等于時(shí)鐘線(xiàn)條的波阻抗，通常時(shí)鐘驅動(dòng)器都要加串聯(lián)電阻，經(jīng)驗值一般為10～30Ω。
3.3注意PCB布線(xiàn)原則
（1）20-H原則，決定印制線(xiàn)條間的距離，表述如下：所有的具有一定電壓的PCB都會(huì )向空間輻射電磁能量（如圖4a），為減小這個(gè)效應，PCB的物理尺寸都應該比*靠近的接地板的物理尺寸小20H（其中H是兩層PCB的間距），即3mm左右，這樣可使輻射強度下降70%（如圖4b）。20-H原則示意圖如圖4所示：
 
根據工程實(shí)際經(jīng)驗，采用20-H規則后會(huì )大大提高PCB的自激頻率。
（2）3-W原則，它決定PCB的電源層與邊沿的距離，表述如下：當兩條印制線(xiàn)的間距較小時(shí)，兩線(xiàn)之間會(huì )發(fā)生電磁串擾，從而使電路功能失常。為避免這種影響，應保持任何線(xiàn)條間距不小于三倍的印制線(xiàn)條寬度，即3W，W為印制線(xiàn)條寬度。印制線(xiàn)條的寬度取決于線(xiàn)條阻抗的要求。
（3）保證信號在PCB上可靠的傳輸，確保信號的完整性。這里面主要的問(wèn)題一般包括時(shí)延、阻抗不匹配、地彈跳、串音等。這不但影響到電子器件的穩定工作，還會(huì )產(chǎn)生電磁干擾。一般在高速邏輯設計中*容易碰到時(shí)延問(wèn)題，處理不好會(huì )產(chǎn)生不希望的脈沖干擾。傳輸時(shí)延對信號的影響如圖5所示。
 
3.4注意確定PCB布線(xiàn)層數
首先在設計中要有一個(gè)重要的概念，就是每個(gè)布線(xiàn)層*好與實(shí)平面（電源或接地）相鄰。原則：
（1）電源平面應靠近接地平面并且安排在接地平面之下。這樣可以利用兩金屬平板之間的電容作電源的平滑電容，同時(shí)地平面還可以對電源面的輻射電流起到屏蔽的作用。
（2）數字電路和模擬電路分開(kāi)。數字地和模擬地之間可以不開(kāi)槽，但須有一個(gè)完整的統一的地平面，且嚴格按數字部分和模擬部分分區。
（3）中間層的印制線(xiàn)條形成平面波導，在表面層形成微帶線(xiàn)，兩者傳輸特性不同。（4）電路尤其高頻電路是主要的干擾和輻射源，一定要單獨安排，遠離敏感電路。（5）信號面應安排與整塊金屬平面相鄰，這樣是為了產(chǎn)生通量對消作用。
（6）不同層所含的雜散電流和高頻輻射電流不同，布線(xiàn)時(shí)應區別對待。對于雜散電流可以用去耦電容，對于高頻輻射電流可以通過(guò)減小回路面積。
以下是常見(jiàn)的PCB層設計，供參考（S表示信號層，G表示地層，P表示電源層）。四層板：S1，G，P，S2
六層板：S1，G，S2，P，G，S3
八層板：S1，G，S2，G，P，S3，G，S4
十層板：S1，G，S2，S3，G，P，S4，S5，G，S6（但S4對電源噪聲敏感）
3.5注意PCB接地設計
1）首先，要建立分布參數的概念。高于一定頻率時(shí)，任何金屬導線(xiàn)都可看成是由電阻和電感構成的器件，所以，接地引線(xiàn)具有一定阻抗并且構成電氣回路，不管是單點(diǎn)接地還是多點(diǎn)接地都必須構成低阻抗回路進(jìn)入真正地或機架。
2）接地方法
（1）單點(diǎn)接地。如果元件，電路的工作頻率小于1MHz時(shí)，單點(diǎn)接地是很好的方式，但當頻率升高時(shí)，連接線(xiàn)電感作用突出，此時(shí)接地阻抗將升高，當接地線(xiàn)的長(cháng)度為周期信號四分之一波長(cháng)的奇數倍時(shí)，不但阻抗高，還會(huì )成為輻射電磁能量的天線(xiàn)。
（2）多點(diǎn)接地。高頻電路均采用多點(diǎn)接地，此時(shí)可使接地阻抗達到*小，可將射頻電流由接地平面分流到金屬地板上去，因為實(shí)體金屬板有較低的電感分量會(huì )形成低阻抗回路。
（3）數字電路應當作為高頻模擬電路處理，也應該保持低電感接地，并使用高質(zhì)量退耦電容（0.1uF并聯(lián)0.001uF相差兩個(gè)數量級）接地。
（4）接地與信號回路，射頻電流總要找一條道路回饋到起始點(diǎn)去，在電磁兼容設計中，通?？偸鞘垢咚龠壿嬰娐繁M可能靠近底版，接地板安裝，以便更好減少高頻輻射環(huán)路。接參考地的地線(xiàn)長(cháng)度一定要很短，短到產(chǎn)品*高工作頻率的λ/20以?xún)取?br> （5）接地次序，由于一般是電源地騷擾（或噪聲）*大，故它應先接到參考地（這樣做的目的是讓參考地先把騷擾吸收掉），然后再送到模擬地和數字地上去。
3.6注意PCB中電容的設計
EMC中的電容可分為退耦電容，旁路電容，和容納電容。退耦電容主要是用來(lái)濾除高頻器件在電源板上引起的輻射電流，為器件提供一個(gè)局域化的直流，還能減低印制電路中的電流沖擊的峰值，通常陶瓷電容被用來(lái)作為退耦電容，其值取決于*快信號的上升時(shí)間和下降時(shí)間例如，對于33MHz的時(shí)鐘信號，可以使用4.7uF到100uF的電容，對于100MHz的時(shí)鐘信號，可以使用10uF的電容；另外，工程上也要考慮ESR對退耦能力的影響，一般選擇ESR值低于1歐姆的電容。旁路電容能消除高頻輻射噪聲，通常鋁電解電容和鉭電容比較適合做旁路電容，其電容值取決于PCB板上的瞬態(tài)電流要求，一般在10-470uF范圍內，若PCB板上有許多集成電路，高速開(kāi)關(guān)電路和具有長(cháng)引線(xiàn)的電源，則應選擇大容量的電容。容納電容是用來(lái)解決開(kāi)關(guān)器件工作時(shí)電源電壓會(huì )發(fā)生突降的問(wèn)題。
總之，選擇電容時(shí)，不但應該選擇溫度系數好的，還要選擇等效串聯(lián)電感小的（小于10nH）和等效串聯(lián)電阻小的（小于0.5Ω）電容。從材質(zhì)上說(shuō)，低于50MHz時(shí)一般選擇Z5U材質(zhì)，它性能穩定，介電常數大，電容容量大，大于50MHz時(shí)一般選擇NPO材質(zhì)，它介電常數小。通常工程上的實(shí)際做法是一大一?。ㄖ鸽娙葜担﹥蓚€(gè)電容并聯(lián)使用。
3.7注意PCB過(guò)孔的設計

在布線(xiàn)時(shí)盡量少穿過(guò)孔，因為過(guò)孔阻抗和線(xiàn)阻抗不一樣，存在阻抗突變，從而產(chǎn)生駐波使信號變壞，容易形成輻射，尤其是在時(shí)鐘需要穿層時(shí)，要做技術(shù)處理，時(shí)鐘線(xiàn)跨層時(shí)的處理如圖6所示。