武器裝備印制板級電磁兼容性設(shè)計方法探討

付本玉，趙凱

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所,河南 鄭州 450015)

武器裝備印制板級電磁兼容性設(shè)計方法探討

付本玉，趙凱

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所,河南 鄭州 450015)

介紹了電磁環(huán)境的組成，引出電磁兼容問題產(chǎn)生的原因，然后提出印制板的電磁兼容設(shè)計要求，為了達到這些要求，從元器件的布置、地線和電源線的布置、信號線的布置3個方面詳細介紹了印制板的設(shè)計方法。

印制板級；電磁兼容性；阻抗匹配

當前我們已經(jīng)進入信息化時代，信息化時代的武器裝備對電磁兼容的要求越來越嚴格。系統(tǒng)的電磁兼容性，是所有武器裝備面對的一個重要問題。為了提高整個系統(tǒng)的電磁兼容性，設(shè)計者必須從最基礎(chǔ)的印制板級的電磁兼容性抓起。印制板是構(gòu)成數(shù)字電子設(shè)備的基礎(chǔ)，是使設(shè)備達到電磁兼容要求的最關(guān)鍵部分，也就是說，印制板級的電磁兼容是系統(tǒng)電磁兼容性的基礎(chǔ)。

1 電磁環(huán)境的組成

電磁干擾的基本模型由3部分組成：電磁干擾源，耦合和路徑，接收機。

電磁干擾源包含微處理器、微控制器、靜電放電、瞬時功率執(zhí)行元件等。隨著大量高速的半導(dǎo)體器件的應(yīng)用，其邊沿跳變速率非?？欤@種電路可以產(chǎn)生高達300MHz的諧波干擾。

耦合路徑可以分為空間輻射電磁波和導(dǎo)線傳導(dǎo)的電壓和電流。噪聲被耦合到電路中的最簡單方式，是通過導(dǎo)體的傳遞，例如，有一條導(dǎo)線在一個有噪聲的環(huán)境中經(jīng)過，這條導(dǎo)線通過感應(yīng)接受這個噪聲，并且將它傳遞到電路的其他部分。

所有的電子電路，都可以接受傳送的電磁干擾。例如，在數(shù)字電路中，臨界信號最容易受到電磁干擾的影響；模擬的低級放大器、控制電路和電源調(diào)整電路，也容易受到噪聲的影響。

2 印制板的布線和設(shè)計

良好的印制板布線，在電磁兼容性中是一個非常重要的因素，一個拙劣的印制板布線和設(shè)計，會產(chǎn)生很多電磁兼容問題，即使加上濾波器和其他元器件，也不能解決這些問題。正確的電路布線和設(shè)計應(yīng)該達到如下3點要求：

（1）板上的各部分電路之間干擾，都能正常工作；

（2）印制板對外的傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射，盡可能的低，達到有關(guān)標準要求；

（3）外部的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，對印制板上的電路沒有影響。

2.1 元器件的布置

（1）首要問題是對元器件進行分組。元器件的分組原則有按電壓不同分，按數(shù)字電路和模擬電路分，按高速和低速信號分和按電流大小分。一般情況下都按照電壓不同分。

（2）所有的連接器都放在印制板的一側(cè)，盡量避免從兩側(cè)引出電纜。

（3）不要讓高速信號線靠近連接器。

（4）在元器件安排時，應(yīng)考慮盡可能縮短高速信號線，如時鐘線、數(shù)據(jù)線和地址線等。

2.2 地線和電源線的布置

（1）地線的布置。地線布置的最終目的，是為了最小化接地阻抗，以此減少從電路返回到電源之間的接地回路電勢。減少回路電勢，就是要減少電路從源端到目的端線路和地層形成的環(huán)路面積。通常增加環(huán)路面積，是由于地層隔縫引起的。如果地層上有縫隙，高速信號線的回流線就被迫要繞過隔縫，從而增大了高頻環(huán)路的面積。

（2）電源線的布置。電源線的布置要和地線結(jié)合起來考慮，以便構(gòu)成特性阻抗盡可能小的供電線路。為了減小供電用線的特性阻抗，電源線和地線應(yīng)該盡可能的粗，并且相互靠近，使供電回路面積減到最小，而且不同的供電環(huán)路不要相互重疊。在集成芯片的電源腳和地腳之間，要加高頻去耦電容，容量約為0.01～0.1μF，而且為了進一步提高電源的去耦濾波的低頻特性，在電源引入端要加上一個高頻去耦電容和一個1～10μF的低頻濾波電容。

（3）多層印制板中的電源層和地層的布置。在多層印制板中，電源層和地層要放置在相鄰的層中，從而在整個印制板上產(chǎn)生一個大的PCB電容，來消除噪聲。速度最快的關(guān)鍵信號和集成芯片，應(yīng)當布放在臨近地層一邊，非關(guān)鍵信號則布放在靠近電源層一邊。因為，地層本身就是用來吸收和消除噪聲的，其本身幾乎是沒有噪聲的。

2.3 信號線的布置

2.3.1 不相容的信號線應(yīng)相互隔離

不相容的信號線之間，能產(chǎn)生耦合干擾。所以在信號線的布置上，我們要把它們隔離，隔離時采取的措施有：

（1）不相容信號線應(yīng)相互遠離，不要平行，分布在不同層上的信號線走向，應(yīng)相互垂直，這樣可以減少線間的電場和磁場耦合干擾；

（2）高速信號線，特別是時鐘線，要盡可能地短，必要時可在高速信號線兩邊加隔離地線；

（3）信號線的布置，最好根據(jù)信號流向順序安排，一個電路的輸入信號線，不要在折回輸入信號線區(qū)域，因為輸入線和輸出線通常是不相容的。

2.3.2 注意線路終端的阻抗匹配問題

當高速數(shù)字信號的傳輸延時時間Td＞Tr時，Tr為信號的脈沖上升時間，應(yīng)考慮阻抗匹配問題。因為錯誤的終端阻抗匹配，將會引起信號反饋和阻尼振蕩。通常線路終端阻抗匹配的方法有4種：串聯(lián)源端接法，并聯(lián)端接法，RC端接法，Thevenin端接法。下面就詳細研究RC端接法方法和Thevenin端接法的使用方法和特性。

（1）RC端接法。圖1中為RC端接電路。這個方法類似于并聯(lián)端接電路，但是引入了一個電容C1，此時R用于提供匹配Zo的阻抗。C1為R提供驅(qū)動電流并過濾掉從傳輸線到地的射頻能量。因此相比并聯(lián)端接方法，RC端接電路需要的源驅(qū)動電流更少。R和C1的值由Zo，Tpd（環(huán)路傳輸延遲）和終端負載電容值Cd決定。時間常數(shù)，RC=3×Tpd，其中R//ZL=Zo，C=C1//Cd。

圖1 RC端接電路

（2）Thevenin端接法。圖2中為Thevenin端接電路。此電路由上拉電阻R1和下拉電阻R2組成，這樣就使邏輯高和邏輯低與目標負載相符。其中，R1和R2的值由R1//R2=Zo決定，R1+R2+Z l的值要保證最大電流不能超過驅(qū)動電路容量。

圖2 Thevenin端接電路

3 結(jié)束語

為了適應(yīng)當前的信息化戰(zhàn)爭，所有武器裝備都必須達到相應(yīng)的國軍標電磁兼容要求，所以電磁兼容在電子設(shè)備設(shè)計中的重要地位，越來越突出。但是，設(shè)備自動化、信息化程度越高，達到國軍標的電磁兼容要求越難。印制板極的電磁兼容設(shè)計，是所有電子設(shè)備的基礎(chǔ)，在設(shè)計過程中，為了達到相應(yīng)的要求，設(shè)計者如果能夠按照上面所有的建議，就能減少不合理的電路設(shè)計和印制板的布線，為達到設(shè)計要求奠定好的基礎(chǔ)。

[1]沙 斐.機電一體化系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，1999.

[2]System Design and Layout Technique for Noise Reduction in Mcu-Based Systems,Motrola Application Note，AN1259.

[3]郭銀景，等.電磁兼容原理及應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

Naval Weapons and Equipment on the PCB Level EMC Design Method

FU Ben-yu，ZHAOKai
(713 th Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation,Zhengzhou 450015,China)

describes the electromagnetic environment of the composition,leds to the cause of the problem of electromagnetic compatibility;Then,we propoased EMCPCB design requirements,in order to meet these requirements,from components of the arrangement,the arrangement of ground and power lines,signal lines of the arrangement described in detail three aspects of PCB design.

PCB level;electromagnetic compatibility;impedance matching

TN41

B

1672-545X（2011）08-0172-02

2011-05-18

付本玉（1975—），男，山東鄆城人，工程師，本科學(xué)歷，主要從事導(dǎo)彈發(fā)射裝置可靠性和電氣控制系統(tǒng)的研究；趙 凱（1982—），男，河南新鄭人，工程師，碩士學(xué)位，主要從事導(dǎo)彈發(fā)射裝置電氣系統(tǒng)的研究。