淺談多層電路板電磁兼容設(shè)計(jì)

摘 要：多層電路板的電磁兼容性是指系統(tǒng)設(shè)備在電磁環(huán)境中能夠正常運(yùn)作，且在運(yùn)作過(guò)程中不會(huì)對(duì)設(shè)備或其他系統(tǒng)造成干擾。多層電路板設(shè)計(jì)中尤其要重視就是電磁兼容設(shè)計(jì)，本研究介紹了在設(shè)計(jì)多層電路板時(shí)應(yīng)充分了解的電磁兼容性特性與設(shè)計(jì)原則，對(duì)電路的電磁兼容進(jìn)行分析，考量其電磁兼容性。

關(guān)鍵詞：多層電路板；電磁兼容

中圖分類號(hào)：TN4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）04-0053-03

Abstract：The EMC of a multi-layer circuit board means that the system equipment can operate normally in the electromagnetic environment and will not interfere with the equipment or other systems during the operation. In the design of multi-layer circuit board，we should pay special attention to EMC design. We must fully understand the characteristics and design principles of EMC when designing the multilayer circuit board，analyze the electromagnetic compatibility of the circuit and examine its EMC.

Keywords：multilayer circuit board；electromagnetic compatibility measurement

0 引 言

隨著電子技術(shù)逐步向小型化、大規(guī)模集成化等方面發(fā)展，在計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備等領(lǐng)域中大量采用現(xiàn)代電子技術(shù)后，電路板電磁兼容問(wèn)題更加不容忽視。電磁兼容也是隨著電子信息技術(shù)發(fā)展而來(lái)的一門(mén)新興的學(xué)科，電磁兼容性是指設(shè)備與系統(tǒng)在電磁環(huán)境中正常運(yùn)行，同時(shí)不會(huì)對(duì)其他設(shè)備造成干擾。本文詳細(xì)介紹了多層電路板電磁兼容的特征、設(shè)計(jì)的一般原則、設(shè)計(jì)過(guò)程中的電磁兼容設(shè)計(jì)及相關(guān)抗干擾技術(shù)等。

1 電磁兼容特性的特征

電磁兼容的主要研究?jī)?nèi)容是電磁干擾和抗干擾的問(wèn)題。要設(shè)計(jì)出符合電磁兼容要求的產(chǎn)品，首先要對(duì)電磁兼容的特性進(jìn)行充分的了解。對(duì)電子產(chǎn)品而言，電磁兼容問(wèn)題的發(fā)生是在以下幾點(diǎn)基本條件下：存在的干擾源；有干擾的完整耦合通道；被干擾的對(duì)象有響應(yīng)。因此，電子設(shè)備或是電磁兼容設(shè)計(jì)主要就是研究如何控制干擾源，切斷或控制電磁干擾的耦合通道，提高設(shè)備或是系統(tǒng)的抗干擾能力。

電路板是電子設(shè)備最基本的元素，是電路元件和器件的支撐點(diǎn)，它起到了電子設(shè)備中元件與器件鏈接的作用。當(dāng)前是集成電路大規(guī)模運(yùn)用的時(shí)代，單層電路板已經(jīng)不能滿足高密度布線、高集成的電路，因此多層電路板的運(yùn)用越來(lái)越廣泛。多層電路板上元器件的高頻寄生特性往往是導(dǎo)致產(chǎn)品電磁兼容問(wèn)題最主要的內(nèi)部因素。同樣，在不同的頻率下，導(dǎo)線、電阻、電容和電感均會(huì)表現(xiàn)出不同的特征。

1.1 導(dǎo)線的頻率特征

多層電路板上的走線和元器件的引腳導(dǎo)線都有寄生電感和電容，這些寄生電感和電容會(huì)影響到導(dǎo)線的頻率特性，從而有可能在元器件和導(dǎo)線之間產(chǎn)生諧振，致使導(dǎo)線成為電磁干擾的重要發(fā)射天線。

1.2 電阻的頻率特征

電阻的高頻寄生特性主要受其制作材料和封裝工藝的影響，其寄生電容主要存在于電阻兩端，對(duì)于高頻電路而言，電阻的寄生電容是導(dǎo)致電磁兼容問(wèn)題的一個(gè)重要因素。

1.3 電容的頻率特征

作為重要的濾波、去耦、儲(chǔ)能元件，電容在電子電路中有著廣泛的應(yīng)用。但是在高頻電路中，當(dāng)電路的工作頻率超過(guò)了電容的自諧振頻率時(shí)，其寄生電感將使電容表現(xiàn)為電感特性，從而失去原有的功能并影響電路的工作性能。

1.4 電感的頻率特征

在電子電路中，電感通常用于對(duì)電磁干擾的抑制。但是，當(dāng)電路的工作頻率增加時(shí)，電感的等效阻抗會(huì)隨著電路的工作頻率增加而加強(qiáng)；當(dāng)電路的工作頻率超過(guò)電感的工作頻率時(shí)，電感就影響了電路的正常工作。當(dāng)然，產(chǎn)生電磁兼容問(wèn)題還有部分外部因素，例如雷電、電源問(wèn)題、靜電等，文章在此不做詳細(xì)分析。

2 多層板電磁兼容的設(shè)計(jì)原則

多層板的電磁兼容設(shè)計(jì)是一個(gè)廣而大的系統(tǒng)工程，電路板的材料、板層的選擇、電子元件的選擇以及電路板的布局布線等都會(huì)影響到電路板的電磁兼容性能。在設(shè)計(jì)時(shí)，遵循正確的設(shè)計(jì)原則可以有效地提高電路板的電磁兼容性能。

2.1 電路板材料、層數(shù)的選擇

電路板材料選擇。作為電子產(chǎn)品的支撐件，電路板的材料對(duì)其電磁兼容性有著相當(dāng)大的影響。在選擇電路板材料時(shí)，一般需要從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐熱性、平整度以及電氣性能等方面進(jìn)行考慮。—般的電子產(chǎn)品采用FR-4環(huán)氧玻璃纖維基板，而對(duì)于高頻電路，則要求選擇介電常數(shù)高、介質(zhì)損耗小的材料，一般選擇聚四氟乙烯玻璃纖維基板。

電路板層數(shù)選擇。一般而言，多層板雖然具有更好的電磁兼容特性，但是也相應(yīng)地增加了設(shè)計(jì)的成本和難度。確定多層電路板的層疊結(jié)構(gòu)需要考慮較多的因素。從布線方面來(lái)說(shuō)，層數(shù)越多越利于布線，但是制板成本和難度也會(huì)隨之增加。對(duì)于生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，層疊結(jié)構(gòu)對(duì)稱與否是電路板制造時(shí)需要關(guān)注的焦點(diǎn)，所以層數(shù)的選擇需要考慮各方面的需求，以達(dá)到最佳的平衡。對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，在完成元器件的預(yù)布局后，會(huì)對(duì)電路板的布線瓶頸處進(jìn)行重點(diǎn)分析。結(jié)合其他因素分析電路板的布線密度；再綜合有特殊布線要求的信號(hào)線如差分線、敏感信號(hào)線等的數(shù)量和種類來(lái)確定信號(hào)層的層數(shù)；然后根據(jù)電源的種類、隔離和抗干擾的要求來(lái)確定內(nèi)電層的數(shù)目。確定了電路板的層數(shù)后，接下來(lái)的工作便是合理地排列各層電路的放置順序。在這一步驟中，需要考慮的因素主要有以下兩點(diǎn)，一是特殊信號(hào)層的分布，二是電源層和地層的分布。

2.2 元器件選擇

電路板上的元器件是電磁干擾的主要來(lái)源。器件的寄生電容和電感，信號(hào)電壓、電流及其電磁場(chǎng)，數(shù)字電路正負(fù)邏輯之間的轉(zhuǎn)換等都會(huì)造成電磁干擾。因此，在進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者首先應(yīng)該根據(jù)器件的封裝、工藝及輸出驅(qū)動(dòng)類型等來(lái)選擇合適的元器件。

2.3 多層電路板布局

確定電路板的總體結(jié)構(gòu)，選擇合適的傳輸線模型和合理的分層來(lái)抑制電路板上的電磁干擾，要比依靠各種外部屏蔽措施有效得多。

為減小電磁輻射的干擾，應(yīng)盡量選擇使用多層板，其內(nèi)層各自作為電源層和地線層，以降低供電線路阻抗，形成均勻的接地面，加大信號(hào)線和接地面間的分布電容，控制其向空間輻射干擾的能力。

選擇電路板時(shí)要注意尺寸。電路板尺寸過(guò)大時(shí)，印制線條較長(zhǎng)，增加了線路阻抗，設(shè)計(jì)單位為降低其抗噪聲能力就不得增加其設(shè)計(jì)成本；電路板尺寸過(guò)小則影響電路的散熱效果，并導(dǎo)致鄰近線條間的干擾增加。具體的尺寸應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際需求確定。此外，還應(yīng)確定包括高頻器件、高壓器件、可調(diào)器件以及大型、異型器件在內(nèi)的特殊元件的布局。

3 高速電路的電磁兼容分析

3.1 高速電路的干擾源

在高頻電路中，通常需要采取多種措施來(lái)抑制電磁干擾，一般而言，越接近干擾源，抑制干擾所需的成本就越小。高頻電路中，電磁干擾主要來(lái)自器件工作的噪聲干擾和高頻信號(hào)噪聲干擾。

3.2 高速電路的干擾防護(hù)

高速電路的干擾防護(hù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，要可靠地抑制電磁干擾，則必須從電磁干擾的核心要素出發(fā)，采取有針對(duì)性的措施。電磁干擾的核心要素是干擾源、耦合通道和敏感對(duì)象，因此，干擾防護(hù)的措施也集中在這3個(gè)方面，即抑制和屏蔽干擾源、切斷耦合通道和保護(hù)敏感對(duì)象。

3.2.1 抑制和屏蔽干擾源

高速電路的干擾源主要有器件高速工作時(shí)的輻射噪聲、高速信號(hào)噪聲、電源及底線噪聲等。輻射干擾是高頻電路中主要的干擾源。消除輻射干擾的方法包括選取合適器件降低輻射和采取屏蔽措施對(duì)干擾源進(jìn)行隔離。前者是從輻射源內(nèi)部消除輻射，后者則是通過(guò)切斷由干擾源至敏感對(duì)象的感應(yīng)和傳播通道來(lái)消除干擾，盡可能地減少或者避開(kāi)信號(hào)。電流閉合環(huán)與噪聲電流閉合環(huán)，無(wú)論是在信號(hào)通路的導(dǎo)體圖形中，還是在電源通路的導(dǎo)體圖形中，都可能有電磁干擾電流流動(dòng)。當(dāng)有電磁干擾電流疊加到信號(hào)電流或者電源供電電流上時(shí)，就應(yīng)當(dāng)邊設(shè)計(jì)邊檢查電路是否構(gòu)成了最小的閉合內(nèi)側(cè)環(huán)路。電容與集成電路或者大規(guī)模的集成電路分布于電源的兩側(cè)，干擾電流閉合環(huán)疊加于電源供電電流之上，因而會(huì)形成較強(qiáng)的電磁干擾，改變電容位于電源與集成電路或者大規(guī)模集成電路之間靠近電源的方位，結(jié)果就不會(huì)形成疊加于電源供電電流之上的干電流閉合環(huán)，因此不會(huì)形成較強(qiáng)的電磁干擾。在選用器件時(shí)，對(duì)高頻電路來(lái)說(shuō)，應(yīng)選用適宜的芯片，以減少電路輻射。在滿足系統(tǒng)工作性能的前提下，盡量選擇低工作頻率和長(zhǎng)上升時(shí)間的器件，在選擇邏輯器件時(shí)，則要充分考慮其噪聲容限指標(biāo)。屏蔽措施包括靜電屏蔽和電磁屏蔽兩種。前者主要用于防止靜電場(chǎng)及穩(wěn)定磁場(chǎng)的干擾，后者則主要用于各種交變電磁場(chǎng)的防護(hù)。不論采用哪種屏蔽措施，都必須有完善的屏蔽體和良好的接地面，屏蔽體必須具有良好的導(dǎo)電性能，通常采用各種具有高導(dǎo)電性能的材料作為屏蔽材料。

3.2.2 抑制耦合通道

多層電路板中電磁干擾的耦合通道有很多。本文篇幅有限，僅簡(jiǎn)要地?cái)⑹隹臻g電磁耦合和傳導(dǎo)耦合?？臻g電磁耦合主要的抑制方法是采取電磁屏蔽，將干擾源與敏感對(duì)象有效隔離，在條件允許的情況下，還需要盡可能多安排地線，以滿足信號(hào)回路的需要和靜電能量的泄放等需求。傳導(dǎo)耦合主要的方法是在信號(hào)布線時(shí)，合理安排高速信號(hào)線的走向。

3.2.3 保護(hù)敏感對(duì)象

保護(hù)高速電路中的敏感對(duì)象，本研究主要從以下兩點(diǎn)來(lái)簡(jiǎn)要闡述。一是切斷敏感對(duì)象與電磁干擾之間的通道；二是降低敏感對(duì)象的敏感度。但是在具體操作中并不像想象中的那樣簡(jiǎn)單，電子設(shè)備的敏感度是利弊共存，不可分割的，設(shè)計(jì)者希望電子裝置的靈敏度高，以提高對(duì)設(shè)備運(yùn)行的能力；但是靈敏度提高的同時(shí)也代表著其他因素干擾的可能性變大，從而又影響了設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，電子設(shè)備的敏感度還應(yīng)該具體問(wèn)題具體分析，在設(shè)計(jì)中把握好尺度尤其關(guān)鍵，也體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)能力。通常情況下，對(duì)敏感對(duì)象的保護(hù)應(yīng)是幾種要素相結(jié)合，并且需要在實(shí)驗(yàn)中反復(fù)驗(yàn)證，將干擾驗(yàn)證做到極限。

4 結(jié) 論

多層電路板設(shè)計(jì)過(guò)程中的電磁兼容設(shè)計(jì)及相關(guān)抗干擾技術(shù)，還需與具體設(shè)計(jì)實(shí)踐相結(jié)合。研究者在實(shí)踐中應(yīng)不斷加深對(duì)電路板電磁兼容設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，不斷提高自身的實(shí)際操作能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉妍妍，周文良.電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐 [M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2015.

[2] 周潤(rùn)景.高速電路板設(shè)計(jì)與仿真 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[3] 張上均.如何提高電路板設(shè)計(jì)與制作能力的探討 [J].科技信息，2012（29）：192+229.

[4] 郭睿涵，張軍元.淺談?dòng)≈齐娐钒逶O(shè)計(jì)基礎(chǔ) [J].橡塑技術(shù)與裝備，2015，41（20）：74-75.

[5] 高輝.印制電路板設(shè)計(jì)中的抗干擾措施 [J].中國(guó)水運(yùn)（下半月），2009，9（9）：163-164.

[6] 張祎文，于佳輝，張子闊.對(duì)電路板設(shè)計(jì)的思路和相關(guān)技巧研究 [J].通訊世界，2016（14）：215-216.

[7] 吳瑋瑋.印制電路板設(shè)計(jì) [J].電子制作，2015（8）：12.

作者簡(jiǎn)介：成珂（1997.02-），男，漢族，湖北陽(yáng)新人，本科。研究方向：電子信息科學(xué)與技術(shù)。