印制電路板設(shè)計的電磁兼容性分析

朱增輝 代相龍

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印制電路板設(shè)計的電磁兼容性分析

朱增輝 代相龍

黔南民族師范學(xué)院物理與電子實(shí)驗(yàn)中心，貴州 都勻 558000

在電子電路中，印制電路板是非常重要的組成部分。所有的電子元件在印制電路板中都會形成非常大的電磁干擾，讓電子設(shè)備無法正常工作，嚴(yán)重的還會導(dǎo)致設(shè)備被破壞。所以，在設(shè)計電子電路的過程中，一定要重視電磁兼容性問題。融合DSP在逆變器控制系統(tǒng)中的運(yùn)用，并結(jié)合布局、接地等情況具體研究了印制電路板的電磁兼容性方面的問題。

印制電路板；電磁干擾；電磁兼容性

電子技術(shù)的全面提升，讓數(shù)字信號處理器技術(shù)得到了普遍的使用，并對工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域起到了非常好的效果。例如，LCL型并網(wǎng)逆變器控制框當(dāng)中，虛線框里的控制法都是通過數(shù)字信號處理器來實(shí)現(xiàn)的。通常情況下，系統(tǒng)會把采樣信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化，然后傳輸進(jìn)數(shù)字信號處理器里，信號處理器會根據(jù)控制算法來計算，隨后再傳輸PWM信號。此信號要進(jìn)行隔離放大，然后將其當(dāng)作開關(guān)管的驅(qū)動信號，以此掌控開關(guān)管的開閉。由此能夠看出，信號處理器在控制系統(tǒng)中的作用非常關(guān)鍵，所以怎樣讓信號處理器的控制電路具有高性能就成為相關(guān)工作者重要的研究工作。我們通過TMS32F28xxx，來具體分析印刷電路板里的電磁兼容性問題。

1 電磁兼容性問題

1.1 布局

印刷電路板的電磁兼容性方面的問題，首先要考慮的是如何對層進(jìn)行安排。通常，單板中的層主要由電源、信號層構(gòu)成，同時它們所處的方位還會決定單板的電磁兼容性。

通過實(shí)際的單板電源、信號密碼等信號數(shù)量，并融合單板的整體性能，來確立單板層數(shù)。在數(shù)字信號處理器的控制電路里，具有下面的多路電源：+15V-A、+15V-P、EX5V、VDD1.8等。在這些多路電源中，+15V-A能夠調(diào)理電路供電，EX5V能夠進(jìn)行通信電路供電、VDD1.8能夠進(jìn)行內(nèi)核供電。與此同時，還具有很多的多種地，其中主要包括DGND、PGND、EXGND。DGND代表的是數(shù)字地、PGND代表的是保護(hù)電路地、EXGND代表的則是通信電路地[1]。

如果想防止電源信號出現(xiàn)交錯的情況，同時保證地面具有完整度，那么最好使用四層板結(jié)構(gòu)。其中頂層屬于信號層，中間層由地平面以及電源平面組成。地平面和電源間的芯板不能太厚，可以采用分布電容的方式來達(dá)到去耦的目的。

在信號處理器的控制電路里，要根據(jù)所有電路模塊的各種功能劃分電路。電路主要分為電源電路、A/D電路、調(diào)理電路、通信電路等。在設(shè)計印制電路板的過程中，要通過信號流向的實(shí)際情況，劃分電路的模塊，盡量讓布線路徑短一些，而且所有模塊之間不要出現(xiàn)交錯的情況，降低各種模塊的互相干擾的程度。

信號頻率可以分成高頻和低頻兩種電路。通常情況下，高頻電路走線會短一些，能夠避開敏感電路。

電路布局要根據(jù)信號流向，盡量讓主要的高速信號走線短一些，也要讓電路板齊整些。時鐘信號要盡可能地短。還要屏蔽掉那些較為敏感的信號線。

1.2 接地

在設(shè)計印制電路板時，如果要降低受到干擾的程度，那么就要采用接地措施。這樣不僅能夠給信號電壓帶來平穩(wěn)的零電位參考點(diǎn)，而且能夠具有屏蔽效果。接地主要分為單點(diǎn)和多點(diǎn)兩種方式。其中，單點(diǎn)接地在系統(tǒng)里，僅一個物理點(diǎn)被視作接地參考點(diǎn)，其余的則要把全部的接地點(diǎn)都集中到一個點(diǎn)。信號工作頻率不大于1?MHz的低頻電路，不會對布線的電感造成影響。不過接地電路構(gòu)成的環(huán)流會形成一定的干擾，因此最好使用單點(diǎn)接地的形式。如果信號工作頻率較強(qiáng)，導(dǎo)致工作波長和接地引線的長度不能比擬的話，就不適合采用單點(diǎn)接地的形式。這種情況下，最好采用多點(diǎn)接地。

多點(diǎn)接地是電路里所有接地點(diǎn)都和附近的接地平面銜接，從而使接地引線最短。如果信號工作頻率是不小于10?MHz的低頻電路，那么地線阻抗就會變得很大。這個時候就要盡可能地讓地線阻抗下降，然后運(yùn)用多點(diǎn)接地的形式。如果是高低頻混合電路，就要運(yùn)用混合接地的形式。

在數(shù)字信號處理器控制電路里，數(shù)字和模擬這兩種信號類型能夠同時存在。如果想減輕這兩種信號形成的干擾，就要采取分割地面的方式。分割期間要遵照以下幾項(xiàng)原則：（1）數(shù)字地要和電源輸入接口離得近些，模擬地要在外圍處；（2）數(shù)字電路的位置要在數(shù)字地上面，而模擬電路的位置要在模擬地的上面，A/D電路的位置則要在前面兩者之間；（3）數(shù)字地不允許跨過模擬電路，同時模擬地也不可以跨過數(shù)字電路；（4）數(shù)字地與模擬地進(jìn)行銜接的時候，阻抗要盡可能地低一些。

1.3 濾波

對于所有的電路來說，濾波是非常重要的。在數(shù)字電路里，如果輸出狀態(tài)出現(xiàn)變動，那么供電電源就會出現(xiàn)瞬變電流的情況，因?yàn)殡娫匆€具有寄生電感，這樣就會導(dǎo)致噪聲電壓的出現(xiàn)，從而造成電路無法正常有效工作[2]。如果ICI在輸出期間，從0變?yōu)?，那么就要讓電源VCC來給電容C進(jìn)行充電，電源供電回路中對于脈沖電電流存在等效電感。如果電流發(fā)生變動，那么等效電流中就會形成電壓，用公式表達(dá)則為：

濾波電容的配置要遵照以下原則：（1）電源輸入端要和電解電容銜接，而電解電容要達(dá)到1～100μF；（2）在離IC的所有電源引腳比較近的方位，要放入一個去耦電容；（3）在使用電容的時候，要進(jìn)行并聯(lián)，而且容值比要達(dá)到2∶1，這樣一來就能夠取得非常好的高頻效果。

2 引發(fā)印制電路板電磁干擾的原因

印制電路板中引發(fā)電磁干擾的原因有很多，主要的原因在于元件在一定的狀況下會存在隱藏特性，例如在高頻段中，導(dǎo)線就好比電感與電阻進(jìn)行串聯(lián)；一個電阻好比一個電感和電阻進(jìn)行串聯(lián)，然后再和電容進(jìn)行并聯(lián)所組成的結(jié)構(gòu)；一個電容就好比一個電感、電阻與電容器的串聯(lián)；一個電感就好比電阻與電感結(jié)合，然后和電容形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)[3-4]。

高速數(shù)字電路里，印制電路板中的走線如果很長，就會發(fā)生天線效應(yīng)。印制電路里的元器件的引線與走線相同，同樣具備寄生電容與電感，而它們會決定導(dǎo)線的阻抗。走線長度與寄生電容值能夠形成電磁干擾發(fā)射天線。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛄私獾?，走線不大于特定波長的1/20?s，能夠防止構(gòu)成無用的發(fā)射源。

在純數(shù)字電路里，電阻能夠起到限流以及掌控電平的效果。在設(shè)計高頻電路時，寄生電容會給設(shè)計造成一定程度的破壞。

數(shù)字電路里的電容器能夠?qū)崿F(xiàn)對電源總線去耦的效果。如果電路比電容的自諧振率要大，那么就會發(fā)生電感特性，會導(dǎo)致電容失掉原先的設(shè)計性能。

在印制電路板里，電感能夠掌控電磁干擾的程度。電感阻抗會由于頻率的加強(qiáng)而造成線性的增多。如果頻率較高，那么高頻信號的傳輸就會受到干擾。

3 印制電路板抗干擾措施

3.1 印制電路板分層

印制電路板有單層、雙層，也有多層。單層板通常都普遍用在低密度布線的電路中。多層板則普遍會使用在高密度布線的電路中。如果根據(jù)抑制電磁干擾的方式進(jìn)行研究，那么多層板能夠降低線路板的電磁輻射，從而提高線路板的抗干擾性。所以，在高速數(shù)字電路里，通常會采用多層印制電路板。在設(shè)計期間，通常會使用20?H原則，以此確立所有印制線條的間距以及邊距。

（1）20?H原則：如果印制電路板具備理想的電壓以及頻率，就會往空間里傳輸電磁；而想要降低這種情況出現(xiàn)的概率，就要讓其中一個層的信號線印制板的物理尺寸和周圍的接地板的物理尺寸都不大于20?H。在多層印制電路板中，20?H通常等于3?mm。

（2）2?W原則：如果印制線之間沒有較大的距離，就會出現(xiàn)電磁干擾的情況，這樣一來會導(dǎo)致電路功能失去作用。想要防止這種情況的出現(xiàn)，就要讓所有的線條間距大于印制線條寬度，也就是2?W。其中W代表的是印制線路的寬度。寬度的具體情況，則主要由線條阻抗決定。如果比較寬，就會降低布線的密度，增加成本；如果太窄，就會干擾傳送進(jìn)終端信號的強(qiáng)度[5]。

3.2 印制電路板的布局

印制電路板的電磁兼容設(shè)計效果，主要在于布局布線。在還沒有布局時，一定要盡可能地使用不高的成本來滿足設(shè)計的要求。如果印制電路板尺寸較大，在布局期間器件分布不均勻，那么傳送線路就有可能顯得較長，很有可能加強(qiáng)阻抗，抗噪聲的效果也會不理想，還會增加成本。不過印制電路板的尺寸如果太小，并把器件集中安放，就會對散熱性造成一定的影響，周圍的走線就極有可能發(fā)生耦合的情況。因此一定要通過電路功能單元的實(shí)際狀況來布局，而且還要做好電磁兼容、散熱等方面的工作。通過實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了印制電路板布局期間要遵照的原則。

（1）將所有功能單元的核心器件作為基準(zhǔn)點(diǎn)，然后讓其余的元件圍繞它來布局；（2）敏感器件之間的布局不要離得太近，輸入輸出元件要離得遠(yuǎn)些；（3）要避免電源線、高頻信號線等和走線出現(xiàn)耦合的情況；（4）盡可能地少與高頻器件進(jìn)行連接。

4 整體布局布線設(shè)計

4.1 整體布局

整體布局是印制電路設(shè)計的第一步。完善的布局不僅可以改善印制電路的外觀，而且能夠提高電磁兼容能力。通常情況下，器件的整體布局要遵照以下幾項(xiàng)原則。

（1）以各功能電路的核心元件為基準(zhǔn)點(diǎn)來布局，確保所有元件能夠順著相同的方向整齊排序。有可能遭受干擾的元器件，不要和其他元器件放在同一個位置，這樣就能夠避免信號間的耦合。

（2）處理敏感信號的元器件要拉大和電源的距離，同時不能讓敏感信號線經(jīng)過大功率器件。熱敏元件一定要和熱發(fā)元件保持較遠(yuǎn)的距離。

（3）每個電位差元器件要保持較遠(yuǎn)的距離，避免由于放電而造成短路情況的出現(xiàn)，同時還要在無鉛的情況下降低CAF出現(xiàn)的概率。另外，高壓元器件要盡可能地安排在調(diào)整期間不會碰到的地方，然后還要進(jìn)行絕緣保護(hù)。

4.2 元器件的選擇和布置

和分立元件相比，集成電路元器件不但密封性好，而且失效率也不是很高，因此得到了普遍的使用。另外，采用信號斜率不快的器件，能夠讓信號形成的高頻成分下降；采用貼片元器件，可以讓連線長度變短，并減少阻抗，以此加強(qiáng)電磁兼容性。此外，還要使用供應(yīng)渠道比較穩(wěn)的元器件，保證生產(chǎn)器件的連續(xù)性。

元器件在安插期間，先分組，然后把同組的放在一起。如果期間它們之間不相容，就要分別安設(shè)，這樣一來就能夠確保所有的元器件在空間里不會遭到干擾。此外，如果元器件比較重的話，就要用支架進(jìn)行固定[6]。

5 設(shè)計實(shí)例

在使用逆變器期間，印制電路板設(shè)計具有非常重要的作用。印制電路板設(shè)計控制電路里的電磁兼容性對并網(wǎng)逆轉(zhuǎn)器具有很大的影響。根據(jù)上文介紹的電磁兼容設(shè)計方式，設(shè)計兩層和四層印制電路板。

想要了解設(shè)計是否合理，就要在相同的條件下，比較原先的兩層板和改善后的四層板。通過結(jié)果能夠看出，在使用四層板的情況下，并網(wǎng)電流不僅會很光滑，而且不會形成明顯的畸變。因此，改善以后的四層板具備更好的抗干擾性，系統(tǒng)性也獲得了很大程度的加強(qiáng)。

6 結(jié)束語

隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步提高，電磁兼容性問題已經(jīng)變成了電子系統(tǒng)能否有效運(yùn)行的關(guān)鍵。我們主要融合數(shù)字信號處理器在逆變器控制系統(tǒng)中的使用，然后以布局、接地濾波等為角度，重點(diǎn)分析印制電路板設(shè)計的電磁兼容性。在布局印制電路板時，進(jìn)行波形對比試驗(yàn)后能夠發(fā)現(xiàn)，得到改善的四層板具備很好的防干擾性，而且系統(tǒng)性也獲得了明顯的加強(qiáng)。

[1]文軍，劉誠，謝言清. 淺談印制電路板的設(shè)計與制作[J]. 中國高新區(qū)，2018（4）：132，134.

[2]李文龍，孫偉峰. 印制電路板的設(shè)計及電磁兼容問題[J]. 科技風(fēng)，2017（15）：64.

[3]郭睿涵，張軍元. 淺談印制電路板設(shè)計基礎(chǔ)[J]. 橡塑技術(shù)與裝備，2015，41（20）：74-75.

[4]吳飛，章建峰，楊禎，等. 印制電路板設(shè)計中的電磁兼容性問題研究[J]. 船舶工程，2015，37（?S1）：171-173.

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

[6]馬媛媛. 印制電路板及抗干擾技術(shù)的設(shè)計研究[J]. 無線互聯(lián)科技，2013（4）：79，81

Electromagnetic Compatibility Analysis of Printed Circuit Board Design

Zhu Zenghui Dai Xianglong

Qiannan Normal University for Nationalities, Physics and Electronics Experiment Center, Guizhou Duyun 558000

Printed circuit board is a very important part of electronic circuits. All electronic components in the printed circuit board will cause very large electromagnetic interference and make the electronic equipment not work normally, and seriously cause the equipment to be damaged. Therefore, in the process of designing electronic circuits, we must pay attention to electromagnetic compatibility issues. Combined with application of the fusion DSP in the inverter control system and combined with the layout, grounding and other conditions, the paper specifically studies the electromagnetic compatibility of the printed circuit board.

printed circuit board; electromagnetic interference; electromagnetic compatibility

TN41

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