原创 基于PCB的电磁兼容的设计

基于PCB的电磁兼容的设计

PCB简介

　　PCB，中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。

　　印制电路板的发明者是奥地利人保罗·爱斯勒，他于1936年在一个收音机装置内采用了印刷电路板。1943年，美国人将该技术大量使用于军用收音机内。1948年，美国正式认可这个发明用于商业用途。自20世纪50年代中期起，印刷电路版技术才开始被广泛采用。

　　在印制电路板出现之前，电子元器件之间的互连都是依靠电线直接连接实现的。而现在，电路面板只是作为有效的实验工具而存在；印刷电路板在电子工业中已经占据了绝对统治的地位。

　　根据电路层数分类：分为单面板、双面板和多层板。常见的多层板一般为4层板或6层板，复杂的多层板可达十几层。

　　PCB板有以下三种主要的划分类型：

　　单面板

　　单面板在最基本的PCB上，零件集中在其中一面，导线则集中在另一面上。因为导线只出现在其中一面，所以这种PCB叫作单面板。因为单面板在设计线路上有许多严格的限制，所以只有早期的电路才使用这类的板子。

　　双面板

　　双面板这种电路板的两面都有布线，不过要用上两面的导线，必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的“桥梁”叫做导孔。导孔是在PCB上，充满或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接。因为双面板的面积比单面板大了一倍，而且因为布线可以互相交错，它更适合用在比单面板更复杂的电路上。

　　多层板

　　多层板为了增加可以布线的面积，多层板用上了更多单或双面的布线板。用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层的印刷线路板，通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印刷线路板就成为四层、六层印刷电路板了，也称为多层印刷线路板。板子的层数就代表了有几层独立的布线层，通常层数都是偶数，并且包含最外侧的两层。大部分的主机板都是4到8层的结构，不过技术上理论可以做到近100层的PCB板。大型的超级计算机大多使用相当多层的主机板，不过因为这类计算机已经可以用许多普通计算机的集群代替，超多层板已经渐渐不被使用了。因为PCB中的各层都紧密的结合，一般不太容易看出实际数目，不过如果仔细观察主机板，还是可以看出来。

　　根据软硬进行分类分为普通电路板和柔性电路板。

　　PCB是电子设备中电路元件工作的平台，它提供电路元器件之间的电气连接，其性能直接关系到电子设备质量的优劣。随着微电子技术的迅速发展和电路集成度的提高，PCB板上的元器件密度越来越高，系统工作速度越来越快，这使得PCB电磁兼容性设计越来越重要，成为一个电路系统稳定正常工作的关键。

　　2　PCB中常见的电磁干扰

　　解决PCB设计中的电磁兼容性问题由主动减小和被动补偿两种途径，为此必须对电磁干扰的干扰源和传播途径进行分析。通常PCB设计中存在的电磁干扰有：传导干扰、串音干扰以及辐射干扰。

　　2.1 传导干扰

　　传导干扰主要通过导线耦合及共模阻抗耦合来影响其它电路。例如噪音通过电源电路进入某一系统，所有使用该电源的电路就会受到影响。图1表示的是噪音通过共模阻抗耦合，电路1与电路2共同使用一根导线获取电源电压和接地回路，如果电路1的电压突然需要升高，那么电路2的电压必将因为共用电源以及两回路之间的阻抗而降低。

　　2.2 串音干扰

　　串音干扰是一个信号线路干扰另一邻近的信号路径。它通常发生在邻近的电路和导体上，用电路和导体的互容和互感来表征。例如，PCB上某一带状线上载有低电平信号，当平行布线长度超过10cm时，就会产生串音干扰。由于串音可以由电场通过互容、磁场通过互感引起，所以考虑PCB带状线上的串音问题时，最主要的问题是确定电场、磁场耦合哪个是主要的因素。

　　2.3 辐射干扰

　　辐射干扰是由于空间电磁波的辐射而引入的干扰。PCB中的辐射干扰主要是电缆和内部走线间的共模电流辐射干扰。当电磁波辐射到传输线上时，将出现场到线的耦合问题。沿线引起的分布小电压源可分解为共模和差模分量。共模电流指两导线上振幅相差很小而相位相同的电流，差模电流则是两导线上振幅相等而相位相反的电流。

　　3 PCB的电磁兼容设计

　　随着PCB板的电子元器件和线路的密集度不断增加，为了提高系统的可靠性和稳定性，必须采取相应的措施，使PCB板的设计满足电磁兼容要求，提高系统的抗干扰性能。

　　3.1 PCB板的选取

　　在PCB板设计中，相近传输线上的信号之间由于电磁场的相互耦合而发生串扰，因此在进行PCB的电磁兼容设计时，首先考虑PCB的尺寸，PCB尺寸过大，印制线过长，阻抗必然增加，抗噪声能力下降，成本也会增加；PCB尺寸过小，邻近传输线之间容易发生串扰，而且散热性能不好。

　　根据电源、地的种类、信号线的密集程度、信号频率、特殊布线要求的信号数量、周边要素、成本价格等方面的综合因素来确定PCB板的层数。要满足EMC的严格指标并且考虑制造成本，适当增加地平面是PCB的EMC设计最好的方法之一。对电源层而言，一般通过内电层分割能满足多种电源的需要，但若需要多种电源供电，且互相交错，则必须考虑采用两层或两层以上的电源平面。对信号层而言，除了考虑信号线的走线密集度外，从EMC的角度，还需要考虑关键信号的屏蔽或隔离，以此确定是否增加相应层数。
3.2 PCB板的布局设计

　　PCB的布局通常应遵循以下原则：

　　(1)尽量缩短高频元器件之间的连线，减少他们的分布参数和相互之间的电磁干扰。容易受干扰的元件不能靠得太近，输入输出应尽量远离。

　　(2)某些元器件或导线之间可能有较高的电压，应加大他们之间的距离，以免放电引出意外短路。

　　(3)发热量大的器件应为散热片留出空间，甚至应将其装在整机的底版上，以利于散热。热敏元件应远离发热元件。

　　(4)按照电路的流程安排各功能单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。

　　(5)以每个功能模块的核心元件为中心，围绕它进行布局，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接长度。

　　(6)综合考虑各元件之间的分布参数。尽可能使元器件平行排列，这样不仅有利于增强抗干扰能力，而且外观美观，易于批量生产。

　　3.3 元器件的布局设计

　　相比于分立元件，集成电路元器件具有密封性好、焊点少、失效率低的优点，应优先选用。同时，选用信号斜率较慢的器件，可降低信号所产生的高频成分，充分使用贴片元器件能缩短连线长度，降低阻抗，提高电磁兼容性。

　　元器件布置时，首先按一定的方式分组，同组的放在一起，不相容的器件要分开布置，以保证各元器件在空间上不相互干扰。另外，重量较大的元器件应采用支架固定。

　　3.4 PCB板的布线设计

　　PCB布线设计总的原则是先时钟、敏感信号线，再布高速信号线，最后不重要信号线。布线时，在总的原则前提下，还需考虑以下细节：

　　(1)在多层板布线中，相邻层之间最好采用“井”字形网状结构；

　　(2)减少导线弯折，避免导线宽度突变，为防止特性阻抗变化，信号线拐角处应设计成弧形或用45度折线连接；

　　(3)PCB板的最外层导线或元器件离印制电路板边缘距离不小于2mm，不但可防止特性阻抗变化，还有利于PCB装夹；

　　(4)对于必须铺设大面积铜箔的器件，应该用栅格状，并且通过过孔与地层相连；

　　(5)短而细的导线能有效抑制干扰，但太小的线宽会增加导线电阻，导线的最小宽度可视通过导线的最大电流而定，一般而言，对于厚度为0.05mm，宽度为1mm铜箔允许的电流负荷为1A。对于小功率数字集成电路，选用0.2-0.5mm线宽即可。在同一PCB中，地线、电源线宽应大于信号线；

　　3.5 PCB板的电源线设计

　　(1)根据印制电路板PCB电流的大小，尽量加粗电源线和地线的宽度，减少环路电阻，同时，使电源线地线的走向和数据传递方向一致，有助于增强抗噪声能力。

　　(2)尽量选用贴片元件，缩短引脚长度，减少去耦电容供电回路面积，减少元件分布电感的影响。

　　(3)在电源变压器前端加电源滤波器，抑制共模噪声和差模噪声，隔离外部和内部脉冲噪声的干扰。

　　(4)印制电路板的供电线路应加上滤波电容和去耦电容。在板的电源引入端加上较大容量的电解电容做低频滤波，再并联一个容量较小的瓷片电容做高频滤波。

　　(5)不要把模拟电源和数字电源重叠放置，以免产生耦合电容，造成相互干扰。

　　3.6 PCB板的地线设计

　　(1)为了减少地环路干扰，必须想办法消除环路电流的形成，具体可采用隔离变压器，光耦隔离等切断地环路电流的形成或采用平衡电路消除环路电流等。

　　(2)为了消除公共阻抗的耦合，应减小公共地线部分的阻抗，加粗导线或对地线铺铜；另一方面可通过适当的接地方式避免相互干扰，如并联单点接地，串联混合单点接地，彻底消除公共阻抗。

　　(3)为消除数字器件对模拟器件的干扰，数字地和模拟地应分开，并单独设置模拟地和数字地。高频电路多采用串联接地方式，地线要短而且粗，高频元件周围尽量用栅格状大面积铺铜加以屏蔽。

　　3.7 PCB板的晶振电路的布局

　　晶振电路的频率较高，这使它成为系统中的重要干扰源。关于晶振电路的布局，有以下注意事项：

　　(1)晶振电路尽量靠近集成块，所有连接晶振输入/输出端的印制线尽量短，以减少噪声干扰及分布电容对晶振的影响。

　　(2)晶振电容地线应使用尽量宽而短的印制线连接至器件上；离晶振最近的数字地引脚，应尽量减少过孔。

　　(3)晶振外壳接地。

　　3.8 PCB板的静电防护设计

　　静电放电的特点是高电位、低电荷、大电流和短时间，对PCB设计的静电防护问题可从以下几方面进行考虑：

　　(1)尽量选择抗静电等级高的元器件，抗静电能力差的敏感元件应远离静电放电源。试验证明，每千伏静电电压的击穿距离约1mm，因此若将元器件同静电放电源保持16mm距离，即可抵抗约16KV的静电电压；

　　(2)保证信号回流具有最短通路，有选择性的加入滤波电容和去耦电容，提高信号线的静电放电免疫能力；

　　(3)采用保护器件如电压瞬态抑制二极管，对电路进行保护设计；

　　(4)相关人员在接触PCB时务必带上静电手环，避免人体电荷移动而导致静电积累损伤。

　　4 结语

　　PCB电磁兼容设计在于减少对外电磁辐射和提高抗电磁干扰的能力，合理的布局和布线

　　是设计的关键所在。本文所介绍的各种方法与技巧有利于提高高速PCB的EMC特性，当然这些只是EMC设计中的一部分，通常还要考虑反射噪声，辐射发射噪声，以及其他工艺技术问题引起的干扰。在实际的设计中，应根据设计的目标要求和设计条件，采用合理的抗电磁干扰措施，做出全面的考虑，设计出具有良好EMC性能的PCB电路板。