電磁兼容技術(shù)在印制電路板設(shè)計中的應(yīng)用

金麗君 顧冬霞 泰州師范高等?？茖W(xué)校信息科學(xué)系應(yīng)用電子教研室 225300

電磁兼容技術(shù)在印制電路板設(shè)計中的應(yīng)用

金麗君 顧冬霞 泰州師范高等專科學(xué)校信息科學(xué)系應(yīng)用電子教研室 225300

當(dāng)今電子技術(shù)發(fā)展迅速，電子產(chǎn)品的數(shù)量及種類不斷增加，其功能和速度也在不斷提高,使得PCB集成度也愈來愈高,隨之而來的電磁兼容性( EMC Electro Magnetic Compatibility) 問題也變得越來越突出。忽略電磁兼容性的PCB設(shè)計將無法有效工作，因此PCB設(shè)計中的電磁兼容技術(shù)研究勢在必行。

1 緒言

電磁兼容（EMC）是電子和電氣系統(tǒng)、設(shè)備和裝置在預(yù)定的電磁環(huán)境和設(shè)定的安全界限內(nèi)的設(shè)計的性能水平工作時不會因為電磁干擾而引起不可接受的功能降級（ANSIC64.14-1992）。即要求在同一電磁環(huán)境中各種電路、設(shè)備、子系統(tǒng)能正常工作又不互相干擾, 達(dá)到兼容狀態(tài)。

目前，電子器材用于各類電子設(shè)備和系統(tǒng)仍然以印制電路板為主要裝配方式。實踐證明，如果印制電路板設(shè)計不當(dāng)，即使電路原理圖設(shè)計正確，也會對電子設(shè)備的可靠性產(chǎn)生不利影響。所以，保證印制電路板的電磁兼容性是整個系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。

2 電磁兼容在印制電路板中的應(yīng)用

由于PCB集成度和信號頻率越來越高,不可避免地會引入EMC(電磁兼容)和EMI(電磁干擾)的問題。所以，設(shè)計目的是使PCB板上各部分電路之間沒有干擾或?qū)⒏蓴_減少到最低，并使印制板對外的傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射盡可能降低，達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。實際上在設(shè)計中采取正確的措施常常能同時起到抗干擾和抑制發(fā)射的作用。

2.1 印制電路板板層設(shè)計與EMC

在設(shè)計印制電路板時，一個最基本的問題是實現(xiàn)電路要求的功能需要多少個布線層和電源平面，印制電路板的層數(shù)取決于要求的功能、噪聲指標(biāo)、用于電源的平面、信號分類、網(wǎng)線數(shù)量等類似要求。

PCB板設(shè)計的開始階段就是層的設(shè)置,層設(shè)置不合理可能產(chǎn)生諸多的噪聲而形成電磁干擾和自身的EMC問題,所以合理的層布局對電磁兼容性而言是十分重要的。

2.1.1 印制電路板的選取 印制電路板有單面、雙面和多層板之分。單面和雙面板一般用于低、中密度布線的電路和集成度較低的電路。出于成本的考慮，更多的民用設(shè)備都采用單面板或雙面板。但這兩種印制電路板的結(jié)構(gòu)使得它們不僅產(chǎn)生較強的電磁輻射，自身電路也對外界的干擾較敏感。要改善印制線路板的電磁兼容性，最簡單而有效的方法就是減小關(guān)鍵信號的回路面積，如產(chǎn)生較強輻射的時鐘信號、較敏感的模擬信號等。

多層板適用于高密度布線、高集成度芯片的高速數(shù)字電路。對于信號頻率較高、器件較密集的印制電路板，盡量選用四層或四層以上的印制電路板。從電磁兼容的角度來說，多層板可以減小線路板的電磁輻射并提高線路板的抗干擾能力。因為在多層板設(shè)計中，可以設(shè)置專門的電源層和地層，使信號線與地線之間的距離僅為印制電路板的層間距離。這樣，板上所有信號的回路面積就可以降至最小，從而有效減小差模輻射。

2.1.2 單面板設(shè)計 單面PCB通常用于那些不包含周期信號的產(chǎn)品或系統(tǒng)當(dāng)中。由于在單面板上線條布置受限，就必須十分注意印制板的布線設(shè)計。

單面PCB一般用在幾百千赫茲工作的情形。這樣的低頻限制是因為許多實現(xiàn)高頻電路所需要的設(shè)計條件受到了限制，例如，線條集膚效應(yīng)，缺乏完整閉合所要求的射頻（RF）電流回路的路徑以及缺乏回路控制的條件（而這是避免產(chǎn)生磁場和環(huán)路天線所必須的）等原因。此外，單面PCB板對于外界射頻影響很敏感。靜電放電（ESD）、快脈沖、輻射或是傳導(dǎo)射頻干擾都很敏感。單面板設(shè)計，通常不考慮終端匹配和信號完整性設(shè)計，因為信號轉(zhuǎn)換的邊沿速率較慢，所以PCB印制線條的物理尺寸達(dá)不到構(gòu)成傳輸線的長度。但是，由于缺乏RF回流路徑和通量對消條件，任何I/O連接器都會成為很好的輻射天線。

設(shè)計單面PCB的方法我們可以由設(shè)計電源和接地線條開始。然后，設(shè)計高風(fēng)險信號，該信號的線條必須緊靠接地線條，只要物理上允許，越近越好。這兩步設(shè)計完成后，再進(jìn)行其余線條設(shè)計。設(shè)計時要做下面幾條：

(1)確定沿著最關(guān)鍵電路的信號網(wǎng)絡(luò)中的電源盒接地點。

(2)劃分為功能子段布線。考慮敏感元件及其縣官的I/O端口和連接器的要求。

(3)將最關(guān)鍵信號網(wǎng)絡(luò)的所有元件領(lǐng)近放置。

(4)如果需要有多個接地點，確定這些接地點是否需要連在一起，并且確定如何相連。

(5)布放其余線條，但是要記住承載RF頻段能量多的線條需要采取通量最小化，同時要注意確保RF回流路徑始終可用。

2.1.3 印制電路板雙面板及多層板設(shè)計 合理排列各層對PCB的抗干擾能力十分有益。PCB設(shè)計中層排列的一些基本原則如下。

(1)關(guān)鍵電源平面與其對應(yīng)的地平面相鄰。由于電源、地平面存在自身的特性阻抗 ,電源平面的阻抗比地平面阻抗高,相鄰的兩平面可形成耦合電容,并與 PCB板上的退耦電容一起降低電源平面的阻抗,同時獲得較寬的濾波效果。

(2)相鄰層的關(guān)鍵信號不能跨分割區(qū) ,從而避免形成較大的信號環(huán)路,降低產(chǎn)生較強輻射和敏感度等問題。

(3)高頻、高速、時鐘等關(guān)鍵信號有一相鄰地平面 ,這樣設(shè)計的信號線與地平面間的距離僅為線路板層間的距離 ,高頻電路將選擇環(huán)路面積最小的路徑流動 ,形成最小的信號環(huán)路面積 ,從而減少輻射。也就是說 ,與地線層相鄰的信號層作為優(yōu)選層進(jìn)行信號走線。參考面的選擇也應(yīng)優(yōu)選地平面 ,雖然電源平面、地平面皆可用作參考平面 ，且有一定的屏蔽作用。但相對而言 ,電源平面具有較高的特性阻抗 ,與參考電平存在較大的電位差。從屏蔽角度考慮 ,地平面一般均作接地處理 ,并作為基準(zhǔn)電平參考點 ,其屏蔽效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于電源平面。

(4)避免電源層平面向自由空間輻射能量 ,使電源平面小于地平面 ,一般要求電源平面向內(nèi)縮進(jìn) 20 H(即20H原則 ,H指相鄰電源平面與地平面的介質(zhì)厚度 )。

根據(jù)以上原則，設(shè)置了印制電路板多層板的布局方案如表2-1所示。

表2-1 印制電路板多層布局方案

3.印制電路板元器件布局與EMC

PCB 板上元器件布局不當(dāng)也是引發(fā)干擾的重要因素。元器件本身也是一個干擾源和敏感器,尤其是集成電路等有源器件,其固有的敏感特性和電磁特性(比如頻率特性、輸入/輸出阻抗特性、輸入端的平衡/非平衡特性、翻轉(zhuǎn)時間等) 對電磁兼容問題產(chǎn)生重要影響。因此,元器件的合理布局,不僅更容易實現(xiàn)原理線路的連通,而且可以保證信號的完整性,滿足電磁兼容性的標(biāo)準(zhǔn)。

元器件布局首先應(yīng)滿足系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位,把所有嚴(yán)格定位的器件(如變壓器、傳感器、散熱器、顯示器、可調(diào)式電位器、按鍵以及接口接插件等) 放好并鎖定。一些質(zhì)量較大的器件不宜直接安裝在PCB上,需要用支架并安裝在機殼上。但從電磁兼容性考慮,元氣件的布局須遵循一些共同的原則。

我們在元器件布局時，注意以下原則，可以避免出現(xiàn)許多的電磁兼容問題:

(1)發(fā)熱元件遠(yuǎn)離關(guān)鍵集成電路，最好放在邊緣或偏上方部位,以利于散熱。

(2)連接器及其引腳應(yīng)根據(jù)元器件在板上的位置確定，所有連接器最好放在印制板的一側(cè)，盡量避免從兩側(cè)引出電纜，以便減小共模電流輻射。

(3)敏感器件例如鎖相環(huán)等，對噪音干擾特別敏感，應(yīng)給予高隔離度。

(4)在高頻情況下,印制線路板上的引線、過孔、電阻、電容和接插件的分布電感與電容等影響很大。高速器件(頻率大于10 MHz 或上升時間小于2ns的器件)在印制電路板上的走線要盡可能短。

(5) I/O 驅(qū)動器應(yīng)緊靠連接器，避免I/O信號在板上長距離走線，耦合不必要的干擾信號。

(6)許多電磁干擾都來自電源,集成電路的退耦電容盡量靠近IC 的電源引腳,且退耦電容的引線盡量短。建議使用表貼封裝電容。

4.印制電路板接地處理與MEC

地線的處理是印制電路板中非常重要的工作，良好的接地對系統(tǒng)抑制電磁干擾是非常必要的。通常地線是采用環(huán)形地網(wǎng)的方法布線，這樣可以起到屏蔽的作用，在電路板的高頻部分要用較寬的地線，同時最好要局部銅箔，減小信號線的回路面積。寄生電感和較大的地線電流會使器件引腳和地電位之間產(chǎn)生電位差這會產(chǎn)生共模輻射，所以要采取合理的接地措施。我們最經(jīng)常涉及的一種接地拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)式RF地。具體我們一般有三種接地方式：單點接地、多點接地和混合接地。

4.1 單點接地

當(dāng)元件、電路、連接器和類似的部件的工作頻率在1MHZ以下時，接地電路形成的電流對于干擾的影響比較大，單點接地時最好的方式。如圖4-1（a）和4-1（b），這兩種單點接地中，并聯(lián)單點接地簡單，避免了公共阻抗耦合和低頻地環(huán)路問題。注意不適用于高頻應(yīng)用。

4.2 多點接地

高頻設(shè)計，當(dāng)信號頻率大于10MHZ時，最好采用多點接地的方式，如果采用一點接地，則地線長度不能超過波長的1/ 20。結(jié)構(gòu)圖如4-2所示。

混合接地，這種接地方式在高頻是可以被看作多點接地，而在低頻是則可以被看作單點接地，是依照頻率而定的。有兩種結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。圖4-3(a)混合接地（電容耦合）4-3(b)混合接地（電感耦合）。

除了以上的三種接地方式以外，還有一種是浮地，浮地是將電路或設(shè)備與公共接地平面進(jìn)行電隔離。因為在實際應(yīng)用中夠做到真正的浮地是比較困難的，所以通常情況下，都不是完全隔離，而是在浮地設(shè)備和大地之間接一個電阻值很大（通常為幾兆歐）的瀉放電阻，這樣就把靜電通過這個通道瀉放到大地上。在同時有數(shù)字電路和模擬電路的場合，模擬地和數(shù)字地要分開來接，然后在電路板的接口處單點接地，這樣數(shù)字地上的壓降就不會影響模擬信號。接地線的電阻要小，地線要粗，通常在2～3mm，此外，把接地電路構(gòu)成閉環(huán)路可以顯著提高系統(tǒng)抗干擾能力。

5.結(jié)束語

電磁兼容設(shè)計在于減少對外電磁輻射和提高抗電磁干擾的能力，合理的分層、布局和布線是印制電路板設(shè)計中必須慎重考慮的環(huán)節(jié)。本文所介紹的印制電路板設(shè)計中的基本電磁兼容的方法只是EMC設(shè)計中的一部分，在EMC技術(shù)中還要考慮反射噪聲、串?dāng)_噪聲、輻射發(fā)射噪聲、退耦電容、和其他工藝技術(shù)問題引起的干擾，才能設(shè)計出具有良好EMC性能的PCB電路板。印制電路板設(shè)計中的電磁兼容問題很復(fù)雜，目前并沒有一個統(tǒng)一的方法來解決所有的電磁兼容問題，只有在工作和學(xué)習(xí)中不斷摸索與實踐。在設(shè)計的初級階段發(fā)現(xiàn)并改正一些電磁干擾問題，采用合理的抗電磁干擾措施。

隨著PCB工藝的提高和電磁兼容學(xué)的深入發(fā)展, 抗干擾和電磁兼容技術(shù)也會隨著器件制造、電路設(shè)計和軟件編寫等技術(shù)的成熟而不斷發(fā)展。其電子產(chǎn)品的電磁兼容性能也將有顯著提高。

圖4-1（a）串聯(lián)單點接地

圖4-1（b）并聯(lián)單點接地

圖4-2 多點接地

圖4-3(a)混合接地 –電容耦合

圖4-3(b) 混合接地 –電感耦合

[1]Mark I.Montrose;呂英華等譯.電磁兼容的印制電路板設(shè)計[M].北京: 機械工業(yè)出版社.2008

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金麗君 本科 助教。

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.20.060

電磁兼容；印制電路板；板層；布局；接地；設(shè)計