PCB設(shè)計的干擾與抑制研究

陳學(xué)平

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

印制電路板的設(shè)計質(zhì)量不僅直接影響到電子產(chǎn)品的可靠性，還關(guān)系到產(chǎn)品的穩(wěn)定性，甚至是設(shè)計成敗的關(guān)鍵。因此，在設(shè)計印制電路板圖時，除了要為電路中的元器件提供正確無誤的電氣連接外，還應(yīng)充分考慮印制電路板的抗干擾性。印制電路板由于各種干擾因素的存在，PCB板上的干擾是不可避免的，我們?yōu)榱艘种芇CB的干擾，進(jìn)行了下面的研究。

1 形成PCB干擾的因素

形成PCB干擾的因素很多，基本要素有以下方面：

1）干擾源的存在，干擾源是指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號，如：雷電、繼電器、可控硅、電機(jī)、高頻時鐘等都可能成為干擾源。由于干擾源的存在，使PCB設(shè)計的干擾抑制成為一個長期的研究任務(wù)。

2）干擾傳播路徑，指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路徑是通過導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。 由于傳導(dǎo)和輻射的存在，我們在后面內(nèi)容中將會分析通過屏蔽、接地等措施來抑制。

3）PCB上存在一些敏感器件，PCB由于電路設(shè)計的需要，在PCB上會存在一些易受干擾的器件，這些器件容易產(chǎn)生PCB的干擾，如：數(shù)字-模擬-數(shù)字變換器，單片機(jī)集成電路，數(shù)字IC， 弱信號放大器等。

2 PCB干擾的種類

PCB設(shè)計中的干擾在以前的研究中人們曾經(jīng)提到過地線干擾、電磁干擾，沒有對PCB的干擾進(jìn)行分類綜述。我們根據(jù)研究和總結(jié)，將PCB設(shè)計中的干擾作以下分類：一類是布線類干擾，一類是布局干擾，一類是傳導(dǎo)與輻射干擾。布線干擾主要是PCB的信號線、地線、電源線的線寬、線距設(shè)置不當(dāng)、PCB布線方式不良好等形成的干擾。布局干擾主要是指PCB板有很多元件，由于元件位置放置不當(dāng)形成的干擾。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾。所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾。以上是PCB干擾的大體類別，我們在下面將對各種干擾進(jìn)行分析，并介紹抑制方法。

3 PCB干擾的分析與抑制

3.1 布線類干擾及抑制

電源干擾是一種主要干擾，它主要是指電源的濾波不良和布線沒有做好形成的干擾。比如：電源的濾波電容容量不當(dāng)，濾波方式不對，電源線在布線時線寬，與信號線的間距不對這都會形成電源干擾。因此我們首先應(yīng)該解決電源干擾。如果電源做得好，整個電路的抗干擾就解決了一大半。許多電路器件對電源噪聲很敏感，要給電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減小電源噪聲對電路器件的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路，當(dāng)然條件要求不高時也可用100?電阻代替磁珠。同時對于電源線布置要注意以下兩點：1）根據(jù)電流大小，盡量調(diào)寬電源線的布線寬度。2）電源線走向應(yīng)與圖紙的信號傳遞方向一致。

地線干擾也是一種主要干擾。地線造成干擾的主要原因是地線存在阻抗，當(dāng)電流流過地線時，會在地線上產(chǎn)生電壓，這就是地線噪聲。在這個電壓的驅(qū)動下，會產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。當(dāng)兩個電路共用一段地線時，會形成公共阻抗耦合。解決地環(huán)路干擾的方法有切斷地環(huán)路，增加地環(huán)路的阻抗，使用平衡電路等。解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗，或采用并聯(lián)單點接地，徹底消除公共阻抗。在PCB板上對地線布線時我們通過以下幾點進(jìn)行干擾抑制：1）數(shù)字地與模擬地分開。2）接地線應(yīng)盡量加粗，至少能通過3倍于印制板上的允許電流，一般應(yīng)達(dá)2～3mm。3）接地線應(yīng)盡量不構(gòu)成循環(huán)回路，這樣可以減少地線電位差。4）同一級電路的接地點應(yīng)盡量靠近，并且本級電路的電源濾波電容也應(yīng)接在該級接地點上。特別是本級晶體管基極、發(fā)射極的接地點不能離得太遠(yuǎn)，否則因兩個接地點間的銅箔太長會引起干擾與自激，采用這樣“一點接地法”的電路，工作較穩(wěn)定，不易自激。5）總地線必須嚴(yán)格按高頻-中頻-低頻一級級地按弱電到強(qiáng)電的順序排列原則，切不可隨便翻來復(fù)去亂接，級與級間寧可接線長點，也要遵守這一規(guī)定。

在布線方式上要注意以下幾點：1）印刷電路中不允許有交叉電路，對于可能交叉的線條，可以用“鉆”、“繞”兩種辦法解決。即讓某引線從別的電阻、電容、三極管腳下的空隙處“鉆”過去，或從可能交叉的某條引線的一端“繞”過去，在特殊情況下如果電路很復(fù)雜，為簡化設(shè)計也允許用導(dǎo)線跨接，解決交叉電路問題。2）強(qiáng)電流引線(公共地線，功放電源引線等)應(yīng)盡可能寬些，以降低布線電阻及其電壓降，可減小寄生耦合而產(chǎn)生的自激。3）阻抗高的走線盡量短，阻抗低的走線可長一些，否則會引起電路不穩(wěn)定。4）功率線、交流線盡量布置在和信號線不同的板上，否則應(yīng)和信號線分開走線。

3.2 布局類干擾及抑制

布局類干擾前面說過是由于元件位置排列引起的干擾。PCB布局干擾只要我們注意PCB的布局原則，按照一定的方法來進(jìn)行布局對于這類干擾是可以進(jìn)行有效抑制的。

1）按照電源類型進(jìn)行布局。這個是PCB布局中最重要的一點，電源類型包括不同的電源電壓值，數(shù)字電路和模擬電路。按照不同電壓，不同電路類型，將他們分開布局，這樣有利于最后地的分割，數(shù)字地緊貼在數(shù)字電路下方，模擬地緊貼在模擬電路下方。這樣有利于信號的回流和兩種地平面之間的穩(wěn)定。2）按照器件的功能和類型來進(jìn)行布局。對于功能相同或者相近的器件，放置在一個區(qū)域里面有利于減小他們之間的布線長度。而且還能防止不同功能的器件在一個小區(qū)域內(nèi)形成干擾。3）共地點和轉(zhuǎn)換器的放置。由于電路中很可能存在跨地信號，如果不采取什么措施，就很可能導(dǎo)致信號無法回流，產(chǎn)生大量的共模和差模EMI。所以，布局的時候盡量要減少這種情況的發(fā)生，而對于非走不可的，可以考慮給模擬地和數(shù)字地選擇一個共地點，提供跨地信號的回流路徑。電路中有時還存在A/D或D/A器件，這些轉(zhuǎn)換器件同時由模擬和數(shù)字電源供電，因此要將轉(zhuǎn)換器放置在模擬電源和數(shù)字電源之間。4）容易形成干擾源的器件如：時鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時鐘輸入端應(yīng)盡量靠近且遠(yuǎn)離其它低頻器件。5）小電流電路和大電流電路盡量遠(yuǎn)離邏輯電路。6）印制板安裝在機(jī)箱時，應(yīng)保證發(fā)熱量大的器件處在通風(fēng)孔的地方。

3.3 電磁干擾及抑制

電磁干擾即EMI(Electromagnetic Interference)，指系統(tǒng)通過傳導(dǎo)或者輻射，發(fā)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。因為所有的電子產(chǎn)品都會不可避免地產(chǎn)生一定的電磁干擾，為了量度設(shè)備系統(tǒng)在電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力，人們提出了電磁兼容這個概念。美國聯(lián)邦通訊委員會在1990年和歐盟在1992都提出了對商業(yè)數(shù)碼產(chǎn)品的有關(guān)規(guī)章，這些規(guī)章要求各個公司確保它們的產(chǎn)品符合嚴(yán)格的磁化系數(shù)和發(fā)射準(zhǔn)則。符合這些規(guī)章的產(chǎn)品稱為具有電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。

對于電磁兼容性，必須滿足三個要素：

1） 電磁兼容需要存在某一個特定的空間。比如，大的，一個房間甚至宇宙；小的，可以是一塊集成電路板。

2）電磁兼容必須同時存在干擾的發(fā)射體和感受體。

3）必須存在一定的媒體(耦合途徑)將發(fā)射體與感受體結(jié)合到一起。這個媒體可以是空間，也可以是公共電網(wǎng)或者公共阻抗。

對于EMI，可以按照電磁干擾的途徑分為輻射干擾、傳導(dǎo)干擾和感應(yīng)耦合干擾三種形式。輻射干擾就是指如果干擾源不是處在一個全封閉的金屬外殼內(nèi)，它就可以通過空間向外輻射電磁波，其輻射場強(qiáng)取決于裝置的干擾電流強(qiáng)度、裝置的等效阻抗，以及干擾源的發(fā)射頻率。如果干擾源的金屬外殼帶有縫隙與孔洞，則輻射的強(qiáng)度與干擾信號的波長有關(guān)。當(dāng)如果孔洞的大小和波長可以比擬時，則可形成干擾子輻射源向四周輻射，輻射場中金屬物還可以形成二次輻射；傳導(dǎo)干擾，顧名思義，干擾源主要是利用與其相連的導(dǎo)線向外部發(fā)射，也可以通過公共阻抗耦合，或接地回路耦合，將干擾帶入其他電路，傳導(dǎo)干擾是電磁干擾的一種重要形式；感應(yīng)耦合干擾的途徑是介于輻射途徑與傳導(dǎo)途徑之間的第三條途徑，當(dāng)干擾源的頻率較低時，干擾電源的輻射能力有限。同時干擾又不直接與其他導(dǎo)體連接，此時電磁干擾能量則通過與其相鄰的導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)耦合，將電磁能轉(zhuǎn)移到其他導(dǎo)體上去，在鄰近導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)出干擾電流或者電壓。感應(yīng)耦合可以通過導(dǎo)體間的電容耦合的形式出現(xiàn)，也可以由電感耦合的形式或電容、電感混合出現(xiàn)。

造成設(shè)備性能降低或失效的電磁干擾必須同時具備三個要素，首先是有一個電磁場所，其次是有干擾源和被干擾源，最后就是具備一條電磁干擾的耦合通路，以便把能量從干擾源傳遞到受干擾源。因此，為解決設(shè)備的電磁兼容性，必須圍繞這三點來分析。一般情況下，對于EMI的抑制，我們主要采用三種措施：屏蔽、濾波、接地。這三種方法雖然有著獨立的作用，但是相互之間是有關(guān)聯(lián)的，良好的接地可以降低設(shè)備對屏蔽和濾波的要求，而良好的屏蔽也可以使濾波器的要求低一些。下面，我們分別介紹屏蔽、濾波和接地。

3.3.1 屏蔽

屏蔽能夠有效的抑制通過空間傳播的電磁干擾。比如：手機(jī)在撥打電話時，如果靠近某個音響設(shè)備，我們可以明顯地聽到“喀、喀聲”，我們打開手機(jī)的PCB看發(fā)現(xiàn)里面的很多干擾源器件都是金屬屏蔽了的。采用屏蔽的目的有兩個，一個是限制內(nèi)部的輻射電磁能量外泄出控制區(qū)域，另一個就是防止外來的輻射電磁能量入內(nèi)部控制區(qū)。按照屏蔽的機(jī)理，我們可以將屏蔽分為電場屏蔽、磁場屏蔽、和電磁場屏蔽。使用電場屏蔽要注意：屏蔽金屬板放置靠近受保護(hù)設(shè)備比較好，這樣將減小電場感應(yīng)電壓。2）屏蔽板的形狀對屏蔽效能的高低有明顯的影響，例如，全封裝的金屬盒可以有最好的電場屏蔽效果，而開孔或帶縫隙的屏蔽罩可以有最好的電場屏蔽效果，而且開孔或者帶縫隙的屏蔽罩，其屏蔽效能會受到不同程度的影響。3）屏蔽板的材料以良性導(dǎo)體為佳，對厚度并無特殊要求。

磁場屏蔽通常是對直流或很低頻場的屏蔽，其效果和電場屏蔽和電磁場屏蔽相比要差很多，磁場屏蔽的主要手段就是依賴高導(dǎo)磁材料具有的低磁阻，對磁通起分路的作用，使得屏蔽體內(nèi)部的磁場大大減弱。對于磁場屏蔽需要注意：1）減小屏蔽體的磁阻(通過選用高導(dǎo)磁率材料和增加屏蔽體的厚度)。2）被屏蔽設(shè)備和屏蔽體間保持一定距離，減少通過屏蔽設(shè)備的磁通。3）對于不可避免使用縫隙或者接風(fēng)口的，盡量使縫隙或者接風(fēng)口呈條形，并且順沿著電磁線的方向，減少磁通。4）對于強(qiáng)電場的屏蔽，可采用雙層磁屏蔽體的結(jié)構(gòu)。對要屏蔽外部強(qiáng)磁場的，則屏蔽體外層要選用不易磁飽和的材料，如硅鋼等；而內(nèi)部可選用容易到達(dá)飽和的高導(dǎo)磁材料。因為第一次屏蔽削弱部分，第二次削弱大部分，如果都使用高導(dǎo)磁，會造成進(jìn)入一層屏蔽的在一層和二層間造成反射。如果要屏蔽內(nèi)部的磁場，則相反。而屏蔽體一般通過非磁性材料接地。

電磁場屏蔽是利用屏蔽體阻隔電磁場在空間傳播的一種措施。

3.3.2 濾波

濾波通常采用三種器件來實現(xiàn)：去耦電容、EMI濾波器和磁性元件。

當(dāng)電路在很快的器件高低電平變換的時候，就會產(chǎn)生一系列的正弦諧波分量，這些正弦諧波分量就是我們所說的EMI成分，這些高頻諧波會通過和其他設(shè)備之間的耦合通道對其他設(shè)備造成電磁干擾。合理使用去耦電容就能起到很好的抑制電磁干擾的效果。

我們在濾除較為低頻的噪聲的時候，就應(yīng)當(dāng)選擇電容值比較高的電容，想濾去頻率較高的噪聲，比如我們前面所說的EMI，則應(yīng)該選擇數(shù)值比較小的電容。所以，在實際中我們通常放置一個1uf到10uf左右的去耦電容在每個電源輸出管腳處，來抑制低頻成分，而選取O.01uf到O.1uf左右的去耦電容來濾除高頻部分。為了獲得最佳的EMI抑制效果，我們最好能在每組電源和地的引腳都能安裝一個電容，但是如果電源在流出引腳前在Ic內(nèi)部已經(jīng)放置去耦電容，那么在引腳處就不必在和每個地之間連接一個電容了。

EMI濾波一般是用在對電源線的濾波，它是用來隔離電路板或者系統(tǒng)內(nèi)外的電源，它的作用是雙向的，即可以作為輸出濾波，也可以作為輸入濾波。對于不同濾波器的選擇，我們通常是通過濾波器接入端的阻抗大小來決定。如果電源線兩端都為高阻，那么易選用穿心電容和Ⅱ型濾波器，但是Ⅱ型濾波器的衰減速度比穿心電容大；如果兩端阻抗相差比較大，適宜選擇L型濾波器，其中電感接入低阻如果兩端都為低阻抗，那么就選用T型濾波器。

磁性元件是由鐵磁材料構(gòu)成的，用來抑制EMI最常見的磁性元件有磁珠，磁環(huán)，扁平磁夾子。由于磁性元件并不增加線路中的直流阻抗，這使得它非常適合用在電源線上做EMI抑制器件。

3.3.3 接地

在實際電路中，信號的基本接地方式有三種，浮地、單點接地和多點接地。良好的接地能夠減緩電壓瞬變，保證良好的信號回流路徑，它是抑制EMI的一種重要手段。特別是將屏蔽和接地配合使用，這樣對于高頻下的電磁兼容性問題，往往能取到事半功倍的效果。

在實際設(shè)計PCB時，我們可以采用以下措施來抑制EMI：1）保證所有的信號尤其是高頻信號，盡可能靠近地平面(或其他參考平面)。2）一般超過25MHz的PCB板設(shè)計時要考慮使用兩層(或更多的)地層。3）在電源層和地層設(shè)計時滿足20H原則。如下圖所示。

由于RF電流在電源層和地層的邊緣也容易發(fā)射電磁波，解決這個問題的最好方法就是采用20-H規(guī)則，即地平面的邊緣比電源平面大20H(H是電源到地平面的距離)。若是設(shè)計中電源的管腳在PCB的邊緣，則可以部分延展電源層以包住該管腳。

4）將時鐘信號盡量走在兩層參考平面之間的信號層。5）保證地平面(電源平面)上不要有人為產(chǎn)生的隔斷回流的斷槽。6）在高頻器件周圍，多放置些旁路電容。7）信號走線時盡量不要換層，即使換層，也要保證其回路的參考平面一樣。8）在信號換層的過孔附近放置一定的連接地平面層的過孔或旁路電容。9）當(dāng)走線長度(單位英寸)數(shù)值上等于器件的上升時間(單位納秒)，就要考慮添加串聯(lián)電阻。10）保證時鐘信號或其他高速電路遠(yuǎn)離輸入輸出信號的走線區(qū)域。11）盡量減少印制導(dǎo)線的不連續(xù)性，例如導(dǎo)線寬度不要突變，導(dǎo)線的拐角應(yīng)大于90度約為135度，信號走線不能呈環(huán)狀等。12）在一些重要的信號線周圍可以加上保護(hù)的地線，以起到隔離和屏蔽的作用。13）對于跨地信號，要想辦法保證它最小回流面積。

以上我們對PCB設(shè)計的干擾與抑制進(jìn)行了分析，解決電磁兼容干擾的抑制我們還應(yīng)該使用一定的儀器對干擾源進(jìn)行定位，如使用頻譜分析儀測量干擾源的頻率和帶寬來定位，這些內(nèi)容我們將在今后的研究中進(jìn)行探索。

[1] 王艷,王芳.PCB設(shè)計中的抗干擾性研究[J].科技信息,2008,14.

[2] 蔡成煒.PCB設(shè)計中電磁輻射干擾與對策[J].科技資訊,2008,12.