原创 PCB中电磁兼容性设计

随着电气时代的发展，人类生活环境中各种电磁波源越来越多，例如无线电广播、电视、微波通信;家庭用的电器;输电线路的工频电磁场;高频电磁场等。当这些电磁场的场强超过一定限度、作用时间足够长时，就可能危及人体健康;同时还会干扰其他电子设备和通信。对此，都需要进行防护。对电子产品开发，生产、使用过程中常常提出电磁干扰、屏蔽等概念。电子产品正常运行时其核心是电路板及其安装在上面的元器件、零部件等之间的一个协调工作过程。要提高电子产品的性能指标减少电磁干扰的影响是非常重要的。 1 PCB板设计 印制线路板(PCB)是电子产品中电路元件和器件的支撑件，它提供电路元件和器件之间的电气连接，它是各种电子设备最基本的组成部分，PCB的性能直接关系到电子设备质量、性能的好坏。随着集成电路、SMT技术、微组装技术的发展，高密度、多功能的电子产品越来越多，致使PCB上导线布设复杂、零件、元件繁多、安装密集，必然使它们之间的干扰越来越严重，所以，抑制电磁干扰问题也就成为一个电子系统能否正常工作的关键。同样，随着电于技术的发展，PCB的密度越来越高，PCB设计的好坏对电路的干扰及抗干扰能力影响很大。要使电子电路获得最佳性能，除了元器件的选择和电路设计之外，良好的PCB的设计在电磁兼容性中也是一个非常重要的因素。 1.1 合理PCB板层设计 根据电路的复杂程度，合理选择PCB的板层数理能有效降低电磁干扰，大幅度降低PCB体积和电流回路及分支走线的长度，大幅度降低信号间的交叉干扰。实验表明，同种材料时，四层板比双层板的噪声低20dB，但是，板层数越高，制造工艺越复杂，制造成本越高。在多层板布线中，相邻层之间最好采用“井”字形网状布线结构，即相邻层各自走线的方向相互垂直。例如，印制板的上面面横向布线，下一面纵向布线，再用过孔相连。 1.2 合理PCB尺寸设计 PCB板尺寸过大时，将会导致印制导线增长，阻抗增加，抗噪声能力下降，设备体积增大成本也相应增加。如果尺寸过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。总的来说，在机械层(Mechanical Layer)确定物理边框即PCB的外形尺寸，禁止布线层(Keepout Layer)确定布局和布线的有效区。一般根据电路的功能单元的多少，对电路的全部元器件进行总体，最后确定PCB板的最佳形状和尺寸。通常选用矩形，长宽比为3：2。电路板面尺寸大于150 mmx200 mm时应考虑电路板的机械强度。 2 PCB的布置 在PCB设计中，产品设计师往往只注重提高密度，减小占用空间，制作简单，或追求美观，布局均匀，忽视了线路布局对电磁兼容性的影响，使大量的信号辐射到空间形成相互干扰。一个拙劣的PCB布线能导致更多的电磁兼容问题，而不是消除这些问题。 电子设备中数字电路、模拟电路以及电源电路的元件布局和布线其特点各不相同，它们产生的干扰以及抑制干扰的方法不相同。高频、低频电路由于频率不同，其干扰以及抑制干扰的方法也不相同。所以在元件布局时，应该将数字电路、模拟电路以及电源电路分别放置，将高频电路与低频电路分开。有条件的应使之各自隔离或单独做成一块电路板。布局中还应特别注意强、弱信号的器件分布及信号传输方向途径等问题。 2.1 PCB的元件布置 PCB元器件的布置方面与其它逻辑电路一样，应把相互有关的器件尽量放得靠近些，这样可以获得较好的抗噪声效果。元件在印刷线路板上排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题。原则之一是各部件之间的引线要尽量短。在布局上，要把模拟信号部分，高速数字电路部分，噪声源部分(如继电器，大电流开关等)这3部分合理地分开，使相互间的信号耦合为最小。 时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声，要相互靠近些。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路。如有可能，应另做电路板，这一点十分重要。 PCB元器件通用布局要求：电路元件和信号通路的布局必须最大限度地减少无用信号的相互耦合。 1)低电平信号通道不能靠近高电平信号通道和无滤波的电源线，包括能产生瞬态过程的电路。 2)将低电平的模拟电路和数字电路分开，避免模拟电路、数字电路和电源公共回路产生公共阻抗耦合。 3)高、中、低速逻辑电路在PCB上要用不同区域。 4)安排电路时要使得信号线长度最小。 5)保证相邻板之间、同一板相邻层面之间、同一层面相邻布线之间不能有过长的平行信号线。 6)电磁干扰(EMI)滤波器要尽可能靠近电磁干扰源，并放在同一块线路板上。 7)DC/DC变换器、开关元件和整流器应尽可能靠近变压器放置，以使其导线长度最小。 8)尽可能靠近整流二极管放置调压元件和滤波电容器。 9)印制板按频率和电流开关特性分区，噪声元件与非噪声元件之间的距离要再远一些。 10)对噪声敏感的布线不要与大电流，高速开关线平行。 11)元件布局还要特别注意散热问题，对于大功率电路，应该将那些发热元件如功率管、变压器等尽量靠边分散布局放置，便于热量散发，不要集中在一个地方，也不要高电容太近以免使电解液过早老化。 2.2 PCB的布线 一个PCB的构成是在垂直叠层上使用了一系列的层压、走线和预浸处理的多层结构。在多层PCB中，为了方便调试，会把信号线布在最外层。 在高频情况下，印刷线路板上的走线、过孔、电阻、电容、接插件的分布电感与分布电容等不可忽略。电阻会产生对高频信号的反射和吸收。走线的分布电容也会起作用。当走线长度大于噪声频率相应波长的1/20时，就产生天线效应，噪声通过走线向外发射。 印刷线路板的导线连接大多通过过孔完成。一个过孔可带来约0.5 pF的分布电容，减少过孔数能显著提高速度。 一个集成电路本身的封装材料引入2～6 pF电容。一个线路板上的接插件，有520 nH的分布电感。一个双列直插的24引脚集成电路插座，引入4～18 nH的分布电感。 避免PCB布线分布参数影响而应该遵循的一般要求： 1)增大走线的间距以减少电容耦合的串扰。 2)双面板布线时，两面的导线宜相互垂直、斜交、或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生耦合;作为电路的输入及输出用的印制导线应尽量避兔相邻平行，以免发生回授，在这些导线之间最好加接地线。 3)将敏感的高频线布在远离高噪声电源线的地方以减少相互之间的耦合;高频数字电路走线细一些、短一些。 4)加宽电源线和地线以减少电源线和地线的阻抗。 5)尽量使用45°折线而不用90°折线布线以减小高频信号对外的发射和耦合。 6)地址线或者数据线，走线长度差异不要太大，否则短线部分要人为走弯线作补偿。 7)大电流信号、高电压信号与小信号之间应该注意隔离(隔离距离与要承受的耐压有关，通常情况下在2 kV时板上要距离2 mm，在此之上以比例算还要加大，例如若要承受3 kV的耐压测试，则高低压线路之间的距离应在3.5 mm以上，许多情况下为避免爬电，还在印制线路板上的高低压之间开槽)。 3 PCB中的电路设计 在设计电子线路时，比较多考虑的是产品的实际性能，而不会太多考虑产品的电磁兼容特性和电磁干扰的抑制及电磁抗干扰特性。在利用电路原理图进行PCB的排版时为达到电磁兼容的目的，必须采取必要的措施，即在其电路原理图的基础上增加必要的附加电路，以提高其产品的电磁兼容性能。实际PCB设计中可采用以下电路措施： 1)可用在PCB走线上串接一个电阻的办法，降低控制信号线上下沿跳变速率。 2)尽量为继电器等提供某种形式的阻尼(高频电容、反向二极管等)。 3)对进入印制板的信号要加滤波，从高噪声区到低噪声区的信号也要加滤波，同时用串终端电阻的办法，减小信号反射。 4)MCU无用端要通过相应的匹配电阻接电源或接地，或定义成输出端。集成电路上该接电源、地的端都要接，不要悬空。 5)闲置不用的门电路输入端不要悬空，而是通过相应的匹配电阻接电源或接地。闲置不用的运放正输入端接地，负输入端接输出端。 6)为每个集成电路设一个高频去耦电容。每个电解电容边上都要加一个小的高频旁路电容。 7)用大容量的钽电容或聚酯电容而不用电解电容作电路板上的充放电储能电容。使用管状电容时，外壳要接地。 4 结论 随着科技的日益发展，各种电子设备的小型化、智能化，已成为主流趋势。同时，电子产品或设备运行的环境也会越来越复杂，抗干扰技术和电磁兼容技术也要求不断发展和成熟。