印制電路板的電磁兼容設(shè)計

矯建法

摘 要

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各類電子產(chǎn)品的種類和數(shù)量不斷增多，功能也越來越齊全，印制電路板（PCB）的集成度也逐漸提高，凸顯出了電磁兼容性的問題，要想讓電子電路運行達到最佳效果，對電磁兼容設(shè)計進行深入考慮十分必要。本文基于上述背景，對PCB板的電磁兼容設(shè)計進行了研究，希望能為設(shè)計人員提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】印制電路板 電磁兼容 設(shè)計

電磁兼容是指電氣系統(tǒng)、電子設(shè)備裝置在預(yù)定的安全界限和電磁環(huán)境內(nèi)，設(shè)計的性能工作水平不會因電磁感染而導(dǎo)致功能降級。即要求在同一電磁環(huán)境下，各種電路設(shè)備和電子系統(tǒng)均能順利運行但又不相互干擾，保持良好的兼容狀態(tài)。目前PCB板廣泛應(yīng)用于各類電子設(shè)備和系統(tǒng)的裝配中，若設(shè)計不當(dāng)，即使電路原理正確，也會對兼容的可靠性造成影響，因此對電磁兼容性進行設(shè)計，保證PCB板的穩(wěn)定兼容是整個電路系統(tǒng)設(shè)計的核心環(huán)節(jié)。

1 PCB板板層設(shè)計與電磁兼容

1.1 選取合適的PCB板

PCB板可分為單面、雙面和多層板：

（1）單面和雙面多用于中低密度布線或低集成度的電路，出于制造成本的考慮，大部分民用電子設(shè)備均是采用單面或雙面板。但這兩種結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生的電磁輻射較強，對外界的干擾極為敏感。

（2）多層板在高密度布線和高集成度芯片電路中較為常用，若信號頻率高且電子元器件密集，盡量選擇四層及以上的PCB板。在多層板設(shè)計中可專門設(shè)置電源層和接地層，縮短信號線與地線的距離，這樣就能大幅度減小所有信號的回路面積，從電磁兼容角度考慮，多層板可有效減少輻射，并提高PCB板抗外界干擾能力。

1.2 單面板設(shè)計

單面PCB板工作頻率通常為只有幾百千赫茲的低頻，低頻限制主要是因為許多高頻電路的設(shè)計條件被限制，例如缺乏完整閉合所需要的射頻電流回路和控制條件，線條集膚效應(yīng)明顯等，磁場和環(huán)路天線的問題無法避免。因此單面PCB板對外界射頻干擾極為敏感，例如靜電、快脈沖、輻射或傳導(dǎo)射頻等。在單面PCB板設(shè)計中通常不對信號完整性和終端匹配進行考慮，可從電源和接地線設(shè)計開始，然后設(shè)計高風(fēng)險信號，并緊靠接地線，物理原則上越近越好，最后再進行其余線條的設(shè)計。具體設(shè)計措施如下：

（1）電源和接地線確定沿著最關(guān)鍵電路信號網(wǎng)絡(luò)中的電源盒接地點；

（2）將線路劃分為功能子段布線，并著重考慮到敏感元器件和相關(guān)I/O端口和連接器的設(shè)計要求；

（3）最關(guān)鍵信號網(wǎng)絡(luò)的所有元器件需鄰近放置；

（4）若PCB板需要多個接地點，要確定接地點相互連接在一起，并對連接方式進行設(shè)計；

（5）布設(shè)其余線條時，若線條承載RF頻段的能力較多，則需采取通量最小化的設(shè)計方式，并確保RF回流路徑始終暢通。

1.3 雙面板與多層板設(shè)計

（1）關(guān)鍵電源平面需鄰近對應(yīng)的地平面，形成耦合電容，與PCB板退耦電容配合可共同降低電源平面阻抗，同時可獲得良好的濾波效果；

（2）鄰近層關(guān)鍵信號禁止跨越分割區(qū)，避免信號環(huán)路增大，從而減少強輻射，降低干擾敏感度；

（3）時鐘、高頻、高速這些關(guān)鍵信號需設(shè)計一個相鄰的地平面，例如與地線層相鄰的信號層可作為信號走線的優(yōu)選層，從而減少信號環(huán)路面積，屏蔽輻射；

（4）電源平面需小于地平面，通常遵循20H原則向內(nèi)縮進。

2 PCB板元器件布局

元器件布局首先應(yīng)考慮到電路系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，將所有定位嚴(yán)格的元器件放置好并進行定位鎖定，若器件質(zhì)量較大則不能直接在PCB板上安裝，需在機殼上另設(shè)支架?？紤]到電磁兼容性，元器件布局需遵循以下設(shè)計原則：

（1）發(fā)熱元件需設(shè)置在偏上方或邊緣部位，與關(guān)鍵集成電路保持距離，便于散熱；

（2）連接器和引腳需根據(jù)元件在PCB板上的位置確定穩(wěn)固，最好在PCB板的同一側(cè)安放，兩側(cè)避免引出電纜，減少共模電流輻射；

（3）對外界干擾敏感性高的元件需進行隔離設(shè)置；

（4）高頻狀態(tài)下，電阻、電容、引線和接插件的分布電容與電感會對PCB板造成很大影響，因此頻率>10Mhz或上升時間<2ns的高速器件走線要盡可能短；

（5）連接器需緊靠I/O驅(qū)動器，避免長距離走線耦合不必要的干擾信號；

（6）集成電路退耦電容引線需盡量短，并盡量緊靠IC電源引腳，可使用表貼封裝電容。

3 PCB板電磁兼容布線設(shè)計

PCB板布線應(yīng)先從時鐘和感應(yīng)信號線路入手，然后再加裝高速信號線路，最后完成非必要性布線。在布線設(shè)計時需注意以下幾點：

（1）將減少輻射影響作為布線設(shè)計的基準(zhǔn)，選擇多層板，在內(nèi)層設(shè)計電源和底線，這樣可減少對供電設(shè)備的影響和阻抗產(chǎn)生的噪音，且信號線路能與地板連接，提高信號線路與地面的分散電容，對PCB板的空間輻射能力進行控制；

（2）要降低高頻信號對外部的融合，可采用布線折線的方法，折線無需90°，但PCB板盡可能采用45°；

（3）時鐘、模擬電壓輸入線以及參考的電壓段需與數(shù)字電路信號線保持一定距離。

（4）為了減少高頻信號經(jīng)過印制導(dǎo)線時產(chǎn)生大量電磁輻射，必須進行抗干擾保護環(huán)布線設(shè)計，具體如圖1所示。

4 結(jié)束語

合理分層、布局和布線是PCB板電磁兼容設(shè)計中需要著重考慮的問題，本文對PCB板電磁兼容設(shè)計的幾種方法進行了分析，并提出了控制自身空間輻射、減少干擾影響的簡要措施。隨著PCB板制造工藝和電磁兼容學(xué)的逐步發(fā)展，在未來的設(shè)計中還需考慮到反射噪聲、退耦電容等方面引起的干擾，在實踐工作中不斷摸索，解決電磁干擾問題。

參考文獻

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作者單位

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