基于PCB的電磁兼容的設(shè)計

1　PCB簡介

PCB，中文名稱為印制電路板，又稱印刷電路板、印刷線路板，是重要的電子部件，是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的提供者。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的，故被稱為“印刷”電路板。

印制電路板的發(fā)明者是奧地利人保羅·愛斯勒，他于1936年在一個收音機裝置內(nèi)采用了印刷電路板。1943年，美國人將該技術(shù)大量使用于軍用收音機內(nèi)。1948年，美國正式認可這個發(fā)明用于商業(yè)用途。自20世紀50年代中期起，印刷電路版技術(shù)才開始被廣泛采用。

在印制電路板出現(xiàn)之前，電子元器件之間的互連都是依靠電線直接連接實現(xiàn)的。而現(xiàn)在，電路面板只是作為有效的實驗工具而存在；印刷電路板在電子工業(yè)中已經(jīng)占據(jù)了絕對統(tǒng)治的地位。

根據(jù)電路層數(shù)分類：分為單面板、雙面板和多層板。常見的多層板一般為4層板或6層板，復(fù)雜的多層板可達十幾層。

PCB板有以下三種主要的劃分類型：

單面板

單面板在最基本的PCB上，零件集中在其中一面，導(dǎo)線則集中在另一面上。因為導(dǎo)線只出現(xiàn)在其中一面，所以這種PCB叫作單面板。因為單面板在設(shè)計線路上有許多嚴格的限制，所以只有早期的電路才使用這類的板子。

雙面板

雙面板這種電路板的兩面都有布線，不過要用上兩面的導(dǎo)線，必須要在兩面間有適當(dāng)?shù)碾娐愤B接才行。這種電路間的“橋梁”叫做導(dǎo)孔。導(dǎo)孔是在PCB上，充滿或涂上金屬的小洞，它可以與兩面的導(dǎo)線相連接。因為雙面板的面積比單面板大了一倍，而且因為布線可以互相交錯，它更適合用在比單面板更復(fù)雜的電路上。

多層板

多層板為了增加可以布線的面積，多層板用上了更多單或雙面的布線板。用一塊雙面作內(nèi)層、二塊單面作外層或二塊雙面作內(nèi)層、二塊單面作外層的印刷線路板，通過定位系統(tǒng)及絕緣粘結(jié)材料交替在一起且導(dǎo)電圖形按設(shè)計要求進行互連的印刷線路板就成為四層、六層印刷電路板了，也稱為多層印刷線路板。板子的層數(shù)就代表了有幾層獨立的布線層，通常層數(shù)都是偶數(shù)，并且包含最外側(cè)的兩層。大部分的主機板都是4到8層的結(jié)構(gòu)，不過技術(shù)上理論可以做到近100層的PCB板。大型的超級計算機大多使用相當(dāng)多層的主機板，不過因為這類計算機已經(jīng)可以用許多普通計算機的集群代替，超多層板已經(jīng)漸漸不被使用了。因為PCB中的各層都緊密的結(jié)合，一般不太容易看出實際數(shù)目，不過如果仔細觀察主機板，還是可以看出來。

根據(jù)軟硬進行分類分為普通電路板和柔性電路板。

PCB是電子設(shè)備中電路元件工作的平臺，它提供電路元器件之間的電氣連接，其性能直接關(guān)系到電子設(shè)備質(zhì)量的優(yōu)劣。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和電路集成度的提高，PCB板上的元器件密度越來越高，系統(tǒng)工作速度越來越快，這使得PCB電磁兼容性設(shè)計越來越重要，成為一個電路系統(tǒng)穩(wěn)定正常工作的關(guān)鍵。

2　PCB中常見的電磁干擾

解決PCB設(shè)計中的電磁兼容性問題由主動減小和被動補償兩種途徑，為此必須對電磁干擾的干擾源和傳播途徑進行分析。通常PCB設(shè)計中存在的電磁干擾有：傳導(dǎo)干擾、串音干擾以及輻射干擾。

2.1 傳導(dǎo)干擾

傳導(dǎo)干擾主要通過導(dǎo)線耦合及共模阻抗耦合來影響其它電路。例如噪音通過電源電路進入某一系統(tǒng)，所有使用該電源的電路就會受到影響。圖1表示的是噪音通過共模阻抗耦合，電路1與電路2共同使用一根導(dǎo)線獲取電源電壓和接地回路，如果電路1的電壓突然需要升高，那么電路2的電壓必將因為共用電源以及兩回路之間的阻抗而降低。

圖1

2.2 串音干擾

串音干擾是一個信號線路干擾另一鄰近的信號路徑。它通常發(fā)生在鄰近的電路和導(dǎo)體上，用電路和導(dǎo)體的互容和互感來表征。例如，PCB上某一帶狀線上載有低電平信號，當(dāng)平行布線長度超過10cm時，就會產(chǎn)生串音干擾。由于串音可以由電場通過互容、磁場通過互感引起，所以考慮PCB帶狀線上的串音問題時，最主要的問題是確定電場、磁場耦合哪個是主要的因素。

2.3 輻射干擾

輻射干擾是由于空間電磁波的輻射而引入的干擾。PCB中的輻射干擾主要是電纜和內(nèi)部走線間的共模電流輻射干擾。當(dāng)電磁波輻射到傳輸線上時，將出現(xiàn)場到線的耦合問題。沿線引起的分布小電壓源可分解為共模和差模分量。共模電流指兩導(dǎo)線上振幅相差很小而相位相同的電流，差模電流則是兩導(dǎo)線上振幅相等而相位相反的電流。

3 PCB的電磁兼容設(shè)計

隨著PCB板的電子元器件和線路的密集度不斷增加，為了提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，必須采取相應(yīng)的措施，使PCB板的設(shè)計滿足電磁兼容要求，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。

3.1 PCB板的選取

在PCB板設(shè)計中，相近傳輸線上的信號之間由于電磁場的相互耦合而發(fā)生串?dāng)_，因此在進行PCB的電磁兼容設(shè)計時，首先考慮PCB的尺寸，PCB尺寸過大，印制線過長，阻抗必然增加，抗噪聲能力下降，成本也會增加；PCB尺寸過小，鄰近傳輸線之間容易發(fā)生串?dāng)_，而且散熱性能不好。

根據(jù)電源、地的種類、信號線的密集程度、信號頻率、特殊布線要求的信號數(shù)量、周邊要素、成本價格等方面的綜合因素來確定PCB板的層數(shù)。要滿足EMC的嚴格指標并且考慮制造成本，適當(dāng)增加地平面是PCB的EMC設(shè)計最好的方法之一。對電源層而言，一般通過內(nèi)電層分割能滿足多種電源的需要，但若需要多種電源供電，且互相交錯，則必須考慮采用兩層或兩層以上的電源平面。對信號層而言，除了考慮信號線的走線密集度外，從EMC的角度，還需要考慮關(guān)鍵信號的屏蔽或隔離，以此確定是否增加相應(yīng)層數(shù)。

3.2 PCB板的布局設(shè)計

PCB的布局通常應(yīng)遵循以下原則：

（1）盡量縮短高頻元器件之間的連線，減少他們的分布參數(shù)和相互之間的電磁干擾。容易受干擾的元件不能靠得太近，輸入輸出應(yīng)盡量遠離。

（2）某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電壓，應(yīng)加大他們之間的距離，以免放電引出意外短路。

（3）發(fā)熱量大的器件應(yīng)為散熱片留出空間，甚至應(yīng)將其裝在整機的底版上，以利于散熱。熱敏元件應(yīng)遠離發(fā)熱元件。

（4）按照電路的流程安排各功能單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。

（5）以每個功能模塊的核心元件為中心，圍繞它進行布局，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接長度。

（6）綜合考慮各元件之間的分布參數(shù)。盡可能使元器件平行排列，這樣不僅有利于增強抗干擾能力，而且外觀美觀，易于批量生產(chǎn)。

3.3 元器件的布局設(shè)計

相比于分立元件，集成電路元器件具有密封性好、焊點少、失效率低的優(yōu)點，應(yīng)優(yōu)先選用。同時，選用信號斜率較慢的器件，可降低信號所產(chǎn)生的高頻成分，充分使用貼片元器件能縮短連線長度，降低阻抗，提高電磁兼容性。

元器件布置時，首先按一定的方式分組，同組的放在一起，不相容的器件要分開布置，以保證各元器件在空間上不相互干擾。另外，重量較大的元器件應(yīng)采用支架固定。

3.4 PCB板的布線設(shè)計

PCB布線設(shè)計總的原則是先時鐘、敏感信號線，再布高速信號線，最后不重要信號線。布線時，在總的原則前提下，還需考慮以下細節(jié)：

（1）在多層板布線中，相鄰層之間最好采用“井”字形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；

（2）減少導(dǎo)線彎折，避免導(dǎo)線寬度突變，為防止特性阻抗變化，信號線拐角處應(yīng)設(shè)計成弧形或用45度折線連接；

（3）PCB板的最外層導(dǎo)線或元器件離印制板邊緣距離不小于2mm，不但可防止特性阻抗變化，還有利于PCB裝夾；

（4）對于必須鋪設(shè)大面積銅箔的器件，應(yīng)該用柵格狀，并且通過過孔與地層相連；

（5）短而細的導(dǎo)線能有效抑制干擾，但太小的線寬會增加導(dǎo)線電阻，導(dǎo)線的最小寬度可視通過導(dǎo)線的最大電流而定，一般而言，對于厚度為0.05mm，寬度為1mm銅箔允許的電流負荷為1A。對于小功率數(shù)字集成電路，選用0.2-0.5mm線寬即可。在同一PCB中，地線、電源線寬應(yīng)大于信號線；

3.5 PCB板的電源線設(shè)計

（1）根據(jù)印制板PCB電流的大小，盡量加粗電源線和地線的寬度，減少環(huán)路電阻，同時，使電源線地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞方向一致，有助于增強抗噪聲能力。

（2）盡量選用貼片元件，縮短引腳長度，減少去耦電容供電回路面積，減少元件分布電感的影響。

（3）在電源變壓器前端加電源濾波器，抑制共模噪聲和差模噪聲，隔離外部和內(nèi)部脈沖噪聲的干擾。

（4）印制電路板的供電線路應(yīng)加上濾波電容和去耦電容。在板的電源引入端加上較大容量的電解電容做低頻濾波，再并聯(lián)一個容量較小的瓷片電容做高頻濾波。

（5）不要把模擬電源和數(shù)字電源重疊放置，以免產(chǎn)生耦合電容，造成相互干擾。

3.6 PCB板的地線設(shè)計

（1）為了減少地環(huán)路干擾，必須想辦法消除環(huán)路電流的形成，具體可采用隔離變壓器，光耦隔離等切斷地環(huán)路電流的形成或采用平衡電路消除環(huán)路電流等。

（2）為了消除公共阻抗的耦合，應(yīng)減小公共地線部分的阻抗，加粗導(dǎo)線或?qū)Φ鼐€鋪銅；另一方面可通過適當(dāng)?shù)慕拥胤绞奖苊庀嗷ジ蓴_，如并聯(lián)單點接地，串聯(lián)混合單點接地，徹底消除公共阻抗。

（3）為消除數(shù)字器件對模擬器件的干擾，數(shù)字地和模擬地應(yīng)分開，并單獨設(shè)置模擬地和數(shù)字地。高頻電路多采用串聯(lián)接地方式，地線要短而且粗，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積鋪銅加以屏蔽。

3.7 PCB板的晶振電路的布局

晶振電路的頻率較高，這使它成為系統(tǒng)中的重要干擾源。關(guān)于晶振電路的布局，有以下注意事項：

（1）晶振電路盡量靠近集成塊，所有連接晶振輸入/輸出端的印制線盡量短，以減少噪聲干擾及分布電容對晶振的影響。

（2）晶振電容地線應(yīng)使用盡量寬而短的印制線連接至器件上；離晶振最近的數(shù)字地引腳，應(yīng)盡量減少過孔。

（3）晶振外殼接地。

3.8 PCB板的靜電防護設(shè)計

靜電放電的特點是高電位、低電荷、大電流和短時間，對PCB設(shè)計的靜電防護問題可從以下幾方面進行考慮：

（1）盡量選擇抗靜電等級高的元器件，抗靜電能力差的敏感元件應(yīng)遠離靜電放電源。試驗證明，每千伏靜電電壓的擊穿距離約1mm，因此若將元器件同靜電放電源保持16mm距離，即可抵抗約16KV的靜電電壓；

（2）保證信號回流具有最短通路，有選擇性的加入濾波電容和去耦電容，提高信號線的靜電放電免疫能力；

（3）采用保護器件如電壓瞬態(tài)抑制二極管，對電路進行保護設(shè)計；

（4）相關(guān)人員在接觸PCB時務(wù)必帶上靜電手環(huán)，避免人體電荷移動而導(dǎo)致靜電積累損傷。

4 結(jié)語

PCB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，合理的布局和布線

是設(shè)計的關(guān)鍵所在。本文所介紹的各種方法與技巧有利于提高高速PCB的EMC特性，當(dāng)然這些只是EMC設(shè)計中的一部分，通常還要考慮反射噪聲，輻射發(fā)射噪聲，以及其他工藝技術(shù)問題引起的干擾。在實際的設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)設(shè)計的目標要求和設(shè)計條件，采用合理的抗電磁干擾措施，做出全面的考慮，設(shè)計出具有良好EMC性能的PCB電路板

[1].PCBdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.
[2].EMCdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/EMC_2342312.html.