PCB中電磁兼容性設計

電磁兼容是衡量電子產(chǎn)品的一項主要指標，其中產(chǎn)品中PCB的布線(xiàn)、元件的布局等既是干擾源又是被  干擾時(shí)象。如何減少消弱這些電磁干擾，是提高產(chǎn)品電磁兼容的關(guān)鍵。文章從PCB板的設計、PCB元件布局、布線(xiàn)等方面進(jìn)行設計，以達到提高電子產(chǎn)品抗電磁干擾的能力。

隨著(zhù)電氣時(shí)代的發(fā)展，人類(lèi)生活環(huán)境中各種電磁波源越來(lái)越多，例如無(wú)線(xiàn)電廣播、電視、微波通信;家庭用的電器;輸電線(xiàn)路的工頻電磁場(chǎng);高頻電磁場(chǎng)等。當這些電磁場(chǎng)的場(chǎng)強超過(guò)一定限度、作用時(shí)間足夠長(cháng)時(shí)，就可能危及人體健康;同時(shí)還會(huì )干擾其他電子設備和通信。對此，都需要進(jìn)行防護。對電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，生產(chǎn)、使用過(guò)程中常常提出電磁干擾、屏蔽等概念。電子產(chǎn)品正常運行時(shí)其核心是電路板及其安裝在上面的元器件、零部件等之間的一個(gè)協(xié)調工作過(guò)程。要提高電子產(chǎn)品的性能指標減少電磁干擾的影響是非常重要的。

印制線(xiàn)路板(PCB)是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件，它提供電路元件和器件之間的電氣連接，它是各種電子設備*基本的組成部分，PCB的性能直接關(guān)系到電子設備質(zhì)量、性能的好壞。隨著(zhù)集成電路、SMT技術(shù)、微組裝技術(shù)的發(fā)展，高密度、多功能的電子產(chǎn)品越來(lái)越多，致使PCB上導線(xiàn)布設復雜、零件、元件繁多、安裝密集，必然使它們之間的干擾越來(lái)越嚴重，所以，抑制電磁干擾問(wèn)題也就成為一個(gè)電子系統能否正常工作的關(guān)鍵。同樣，隨著(zhù)電于技術(shù)的發(fā)展，PCB的密度越來(lái)越高，PCB設計的好壞對電路的干擾及抗干擾能力影響很大。要使電子電路獲得*佳性能，除了元器件的選擇和電路設計之外，良好的PCB的設計在電磁兼容性中也是一個(gè)非常重要的因素。

1.1 合理PCB板層設計

根據電路的復雜程度，合理選擇PCB的板層數理能有效降低電磁干擾，大幅度降低PCB體積和電流回路及分支走線(xiàn)的長(cháng)度，大幅度降低信號間的交叉干擾。實(shí)驗表明，同種材料時(shí)，四層板比雙層板的噪聲低20dB，但是，板層數越高，制造工藝越復雜，制造成本越高。在多層板布線(xiàn)中，相鄰層之間*好采用“井”字形網(wǎng)狀布線(xiàn)結構，即相鄰層各自走線(xiàn)的方向相互垂直。例如，印制板的上面面橫向布線(xiàn)，下一面縱向布線(xiàn)，再用過(guò)孔相連。

1.2 合理PCB尺寸設計

PCB板尺寸過(guò)大時(shí)，將會(huì )導致印制導線(xiàn)增長(cháng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，設備體積增大成本也相應增加。如果尺寸過(guò)小，則散熱不好，且鄰近線(xiàn)條易受干擾?？偟膩?lái)說(shuō)，在機械層(Mechanical Layer)確定物理邊框即PCB的外形尺寸，禁止布線(xiàn)層(Keepout Layer)確定布局和布線(xiàn)的有效區。一般根據電路的功能單元的多少，對電路的全部元器件進(jìn)行總體，*后確定PCB板的*佳形狀和尺寸。通常選用矩形，長(cháng)寬比為3：2。電路板面尺寸大于150 mmx200 mm時(shí)應考慮電路板的機械強度。

在PCB設計中，產(chǎn)品設計師往往只注重提高密度，減小占用空間，制作簡(jiǎn)單，或追求美觀(guān)，布局均勻，忽視了線(xiàn)路布局對電磁兼容性的影響，使大量的信號輻射到空間形成相互干擾。一個(gè)拙劣的PCB布線(xiàn)能導致更多的電磁兼容問(wèn)題，而不是消除這些問(wèn)題。

電子設備中數字電路、模擬電路以及電源電路的元件布局和布線(xiàn)其特點(diǎn)各不相同，它們產(chǎn)生的干擾以及抑制干擾的方法不相同。高頻、低頻電路由于頻率不同，其干擾以及抑制干擾的方法也不相同。所以在元件布局時(shí)，應該將數字電路、模擬電路以及電源電路分別放置，將高頻電路與低頻電路分開(kāi)。有條件的應使之各自隔離或單獨做成一塊電路板。布局中還應特別注意強、弱信號的器件分布及信號傳輸方向途徑等問(wèn)題。

2.1 PCB的元件布置

PCB元器件的布置方面與其它邏輯電路一樣，應把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些，這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。元件在印刷線(xiàn)路板上排列的位置要充分考慮抗電磁干擾問(wèn)題。原則之一是各部件之間的引線(xiàn)要盡量短。在布局上，要把模擬信號部分，高速數字電路部分，噪聲源部分(如繼電器，大電流開(kāi)關(guān)等)這3部分合理地分開(kāi)，使相互間的信號耦合為*小。

時(shí)鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時(shí)鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲，要相互靠近些。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應盡量遠離邏輯電路。如有可能，應另做電路板，這一點(diǎn)十分重要。

PCB元器件通用布局要求：電路元件和信號通路的布局必須*大限度地減少無(wú)用信號的相互耦合。

1)低電平信號通道不能靠近高電平信號通道和無(wú)濾波的電源線(xiàn)，包括能產(chǎn)生瞬態(tài)過(guò)程的電路。

2)將低電平的模擬電路和數字電路分開(kāi)，避免模擬電路、數字電路和電源公共回路產(chǎn)生公共阻抗耦合。

3)高、中、低速邏輯電路在PCB上要用不同區域。

4)安排電路時(shí)要使得信號線(xiàn)長(cháng)度*小。

5)保證相鄰板之間、同一板相鄰層面之間、同一層面相鄰布線(xiàn)之間不能有過(guò)長(cháng)的平行信號線(xiàn)。

6)電磁干擾(EMI)濾波器要盡可能靠近電磁干擾源，并放在同一塊線(xiàn)路板上。

7)DC/DC變換器、開(kāi)關(guān)元件和整流器應盡可能靠近變壓器放置，以使其導線(xiàn)長(cháng)度*小。

8)盡可能靠近整流二極管放置調壓元件和濾波電容器。

9)印制板按頻率和電流開(kāi)關(guān)特性分區，噪聲元件與非噪聲元件之間的距離要再遠一些。

10)對噪聲敏感的布線(xiàn)不要與大電流，高速開(kāi)關(guān)線(xiàn)平行。

11)元件布局還要特別注意散熱問(wèn)題，對于大功率電路，應該將那些發(fā)熱元件如功率管、變壓器等盡量靠邊分散布局放置，便于熱量散發(fā)，不要集中在一個(gè)地方，也不要高電容太近以免使電解液過(guò)早老化。

2.2 PCB的布線(xiàn)

一個(gè)PCB的構成是在垂直疊層上使用了一系列的層壓、走線(xiàn)和預浸處理的多層結構。在多層PCB中，為了方便調試，會(huì )把信號線(xiàn)布在*外層。

在高頻情況下，印刷線(xiàn)路板上的走線(xiàn)、過(guò)孔、電阻、電容、接插件的分布電感與分布電容等不可忽略。電阻會(huì )產(chǎn)生對高頻信號的反射和吸收。走線(xiàn)的分布電容也會(huì )起作用。當走線(xiàn)長(cháng)度大于噪聲頻率相應波長(cháng)的1/20時(shí)，就產(chǎn)生天線(xiàn)效應，噪聲通過(guò)走線(xiàn)向外發(fā)射。

印刷線(xiàn)路板的導線(xiàn)連接大多通過(guò)過(guò)孔完成。一個(gè)過(guò)孔可帶來(lái)約0.5 pF的分布電容，減少過(guò)孔數能顯著(zhù)提高速度。

一個(gè)集成電路本身的封裝材料引入2～6 pF電容。一個(gè)線(xiàn)路板上的接插件，有520 nH的分布電感。一個(gè)雙列直插的24引腳集成電路插座，引入4～18 nH的分布電感。

避免PCB布線(xiàn)分布參數影響而應該遵循的一般要求：

1)增大走線(xiàn)的間距以減少電容耦合的串擾。

2)雙面板布線(xiàn)時(shí)，兩面的導線(xiàn)宜相互垂直、斜交、或彎曲走線(xiàn)，避免相互平行，以減小寄生耦合;作為電路的輸入及輸出用的印制導線(xiàn)應盡量避兔相鄰平行，以免發(fā)生回授，在這些導線(xiàn)之間*好加接地線(xiàn)。

3)將敏感的高頻線(xiàn)布在遠離高噪聲電源線(xiàn)的地方以減少相互之間的耦合;高頻數字電路走線(xiàn)細一些、短一些。

4)加寬電源線(xiàn)和地線(xiàn)以減少電源線(xiàn)和地線(xiàn)的阻抗。

5)盡量使用45°折線(xiàn)而不用90°折線(xiàn)布線(xiàn)以減小高頻信號對外的發(fā)射和耦合。

6)地址線(xiàn)或者數據線(xiàn)，走線(xiàn)長(cháng)度差異不要太大，否則短線(xiàn)部分要人為走彎線(xiàn)作補償。

7)大電流信號、高電壓信號與小信號之間應該注意隔離(隔離距離與要承受的耐壓有關(guān)，通常情況下在2 kV時(shí)板上要距離2 mm，在此之上以比例算還要加大，例如若要承受3 kV的耐壓測試，則高低壓線(xiàn)路之間的距離應在3.5 mm以上，許多情況下為避免爬電，還在印制線(xiàn)路板上的高低壓之間開(kāi)槽)。

在設計電子線(xiàn)路時(shí)，比較多考慮的是產(chǎn)品的實(shí)際性能，而不會(huì )太多考慮產(chǎn)品的電磁兼容特性和電磁干擾的抑制及電磁抗干擾特性。在利用電路原理圖進(jìn)行PCB的排版時(shí)為達到電磁兼容的目的，必須采取必要的措施，即在其電路原理圖的基礎上增加必要的附加電路，以提高其產(chǎn)品的電磁兼容性能。實(shí)際PCB設計中可采用以下電路措施：

1)可用在PCB走線(xiàn)上串接一個(gè)電阻的辦法，降低控制信號線(xiàn)上下沿跳變速率。

2)盡量為繼電器等提供某種形式的阻尼(高頻電容、反向二極管等)。

3)對進(jìn)入印制板的信號要加濾波，從高噪聲區到低噪聲區的信號也要加濾波，同時(shí)用串終端電阻的辦法，減小信號反射。

4)MCU無(wú)用端要通過(guò)相應的匹配電阻接電源或接地，或定義成輸出端。集成電路上該接電源、地的端都要接，不要懸空。

5)閑置不用的門(mén)電路輸入端不要懸空，而是通過(guò)相應的匹配電阻接電源或接地。閑置不用的運放正輸入端接地，負輸入端接輸出端。

6)為每個(gè)集成電路設一個(gè)高頻去耦電容。每個(gè)電解電容邊上都要加一個(gè)小的高頻旁路電容。

7)用大容量的鉭電容或聚酯電容而不用電解電容作電路板上的充放電儲能電容。使用管狀電容時(shí)，外殼要接地。

隨著(zhù)科技的日益發(fā)展，各種電子設備的小型化、智能化，已成為主流趨勢。同時(shí)，電子產(chǎn)品或設備運行的環(huán)境也會(huì )越來(lái)越復雜，抗干擾技術(shù)和電磁兼容技術(shù)也要求不斷發(fā)展和成熟。