電路板級(jí)的電磁兼容設(shè)計(jì)

海軍701廠 薛 璐

現(xiàn)代軍事電子裝備日益復(fù)雜，其電磁兼容（EMC）設(shè)計(jì)在裝備中的作用越來(lái)越重要。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的多個(gè)元件或設(shè)備在同一環(huán)境中工作時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電磁干擾（EMI），并且元件和設(shè)備越多，EMI的機(jī)率越大，即使看起來(lái)很小的EMI，也會(huì)造成嚴(yán)重的事故或是可靠度變差。

在設(shè)計(jì)階段，對(duì)潛在的EMI采取的措施要比在設(shè)備使用后再補(bǔ)救所花費(fèi)的成本小得多。所以，抑制EMI應(yīng)從電子設(shè)備制造的初級(jí)階段開(kāi)始，從印制電路板（PCB）的設(shè)計(jì)著手。即從元件的選擇，元件的布局，電源布線，信號(hào)布線及地線設(shè)計(jì)等方面提高部件間可靠性，從而較好的實(shí)現(xiàn)EMC。

一、元件的選擇

元件選擇的一般原則：

1.低輻射：大部分?jǐn)?shù)字集成電路（IC）制造商提供具有較低輻射的膠合邏輯產(chǎn)品（膠合邏輯產(chǎn)品指的是連接不兼容的復(fù)雜電路的簡(jiǎn)單邏輯電路）。

2.傳輸線匹配I/O：IC輸出引腳必須匹配高速信號(hào)的傳輸線。例如當(dāng)驅(qū)動(dòng)一個(gè)25Ω的并聯(lián)終端負(fù)載時(shí)，就可以使用總線驅(qū)動(dòng)器。

3.低輸入電容：低輸入電容有助于降低邏輯器件的狀態(tài)變化時(shí)的電流峰值，因此可以減小磁場(chǎng)輻射和地返回電流。

4.鋁電解電容可能發(fā)生幾微秒的暫時(shí)性介質(zhì)擊穿，因而在紋波很大或有瞬變電壓的電路里，應(yīng)該使用固體電容器。

5.使用寄生電感和電容量較小的電阻器。片狀電阻器可用于超高頻段。

6.大電感寄生電容大，為了提高低頻部分的插入損耗，不要使用單節(jié)濾波器，而應(yīng)該使用若干小電感組成的多節(jié)濾波器。

7.使用磁芯電感要注意飽和特性，特別要注意高電平脈沖會(huì)降低磁芯電感的電感量和在濾波器電路中的插入損耗。

8.用于敏感電路的電源變壓器應(yīng)該有靜電屏蔽，屏蔽殼體和變壓器殼體都應(yīng)該接地。

9.有引腳的元件有寄生效果，因此引腳的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能的短。而無(wú)引腳且表面貼裝的元件的寄生效果要小一些。從電磁兼容性的觀點(diǎn)看，表面貼裝元件效果最好，其次是放射狀引腳元件，最后是軸向平行引腳的元件。

二、元件的布局

盡可能縮短高頻元件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的EMI。易受干擾的元件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應(yīng)遠(yuǎn)離。輸入輸出端用的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行，最好加上線間地線，以免發(fā)生反饋耦合。如：同相放大器的輸入輸出端一但靠近，在它們之間就會(huì)產(chǎn)生寄生電容。這樣，由于該電容而形成了輸出返回到輸入的正反饋環(huán)路，最終引起振蕩。這種振蕩與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)，即使在沒(méi)有輸入時(shí)也會(huì)發(fā)生。振蕩頻率由同相放大器的電路結(jié)構(gòu)和寄生電容的大小等因素決定。實(shí)際上，大部分為1MHz以上。隨著寄生電容的大小變化，不僅產(chǎn)生電路的振蕩，甚至發(fā)生工作不穩(wěn)定和特性變壞的情況。而在反相放大器中，由于米勒效應(yīng)引起高頻特性變壞。設(shè)反相放大器的增益為A，輸入輸出間的寄生電容為C。由于米勒效應(yīng)，從輸入端可以看成輸入與地之間加入了(A+1)C的電容。如果信號(hào)源電阻Rg非常低，則是可以的。但是，如果Rg很高，則該Rg與米勒電容(A+1)C就會(huì)形成LPF(低通濾波器)，使得高頻特性下降。因此，無(wú)論是正相放大器還是反相放大器，其輸入輸出端都不允許靠得太近，特別在增益高或在寬帶放大器中更要特別注意。不僅對(duì)于一級(jí)放大器，對(duì)于多級(jí)放大器也同樣要注意這個(gè)問(wèn)題。

三、電源布線

1.電源布線產(chǎn)生的EMI

電源布線會(huì)產(chǎn)生分布電容、分布電感、分布電阻。PCB上供電電源通常為直流電源，供電的主要目的是為PCB上的每個(gè)用電元件提供一個(gè)準(zhǔn)確的電壓。而電源所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載常具有瞬態(tài)變化的特性，受分布阻抗的影響，負(fù)載電壓或電流的瞬態(tài)變化會(huì)引起電源電壓或電流發(fā)生瞬態(tài)變化，這如同在電源的負(fù)載端接上一個(gè)瞬態(tài)變化的信號(hào)源。特別是在高頻，有的器件工作在數(shù)字開(kāi)關(guān)狀態(tài)，這一現(xiàn)象更為突出。這樣電源布線既含有直流電壓，又含有瞬態(tài)變化的電壓(稱(chēng)為寄生電壓)，瞬變電壓會(huì)產(chǎn)生高次諧波，其都是產(chǎn)生EMI的主要來(lái)源。

2.電源布線的防干擾措施

(1)電源平面法

利用PCB的一層作為電源平面層，至少有一層作為地平面，每一層只能提供一種電源電壓，通過(guò)PCB上的過(guò)孔將電源電壓引到器件上。這種做法使電源布線分布阻抗非常小，電路壓降小，器件上能得到穩(wěn)定的直流電壓。同時(shí)平面間靠得很近，能較好地抑制電場(chǎng)耦合。且電源平面往返電流大小相等，磁場(chǎng)干擾能抵消。

(2)共地平面法

這個(gè)地作為電源及電子器件的公共地，高頻布線設(shè)計(jì)中，電流的返回路徑對(duì)系統(tǒng)的影響比較大，由于是平面地，電源及所有信號(hào)(包括發(fā)送和接收)返回路徑的附加阻抗非常小，壓降可忽略，各器件上就能得到穩(wěn)定的電源電壓。同時(shí)，所有的電源去線與信號(hào)線都與平面地成鏡像關(guān)系，形成的電流也是鏡像電流，EMI耦合得到較好地抑制。

(3)電源母線法

這種布線設(shè)計(jì)可分別提供幾種電壓。布線的條數(shù)由器件的多少而定。這種布線要達(dá)到以下要求：

(1)布線要寬。

(2)加去耦電容。這種電容起到旁路濾波的作用。要在電源的輸入端并聯(lián)較大的和較小的濾波電容。在高頻時(shí)，實(shí)際的電容器相當(dāng)于帶通濾波器，它可等效為電感、電阻和電容的串聯(lián)，較大的和較小的電容并聯(lián)使用，目的是增加旁路濾波的帶寬。同時(shí)，在每一個(gè)有源器件的電源引腳與地之間也要并聯(lián)一個(gè)電容器，這個(gè)并聯(lián)電容相當(dāng)于噪聲濾波器，能濾掉高頻諧波噪聲。

(3)地線環(huán)繞，作為母線中的地線可以不等寬，但寬窄過(guò)渡要平滑，以避免產(chǎn)生噪聲，地線要靠近供電電源母線和信號(hào)線，因電流沿路徑傳輸會(huì)產(chǎn)生回路電感，地線靠近，回路面積減小，電感量減小，回路阻抗減小，從而減小EMI耦合。

四、信號(hào)布線

信號(hào)布線同樣有分布電感、分布電容和分布電阻，它們代表了干擾耦合路徑的分布參數(shù)，這些分布參數(shù)隨信號(hào)頻率的增加而增大。

只要兩條線有電位差，兩條線間就會(huì)存在電場(chǎng)。假設(shè)三條導(dǎo)線，A、B分別為信號(hào)線，D為地線，C-AD為A的分布電容，若A的電位比B的高，B處在A的某個(gè)或某些等位面上，A中的電位就會(huì)與B發(fā)生耦合，這種電場(chǎng)耦合為容性耦合。同理B與A也可能產(chǎn)生這種耦合。抑制容性耦合的方法：一是要增大兩布線導(dǎo)線間的距離(大于干擾信號(hào)最大波長(zhǎng)的四分之一)，二是要減小信號(hào)線與地之間的距離。

若A、B兩導(dǎo)線靠近，當(dāng)導(dǎo)線A中有電流時(shí)，它的周?chē)痛嬖谥艌?chǎng)，磁感線就會(huì)有一部分環(huán)繞到導(dǎo)體B組成的回路中，B回路就被感應(yīng)出感生電流，這種磁場(chǎng)干擾耦合屬于感性干擾(互感)耦合。同時(shí)，若A導(dǎo)線中的電流發(fā)生變化，還會(huì)存在自感，也會(huì)產(chǎn)生感性干擾(自感)耦合。抑制感性干擾耦合的方法：一是增大信號(hào)線與信號(hào)線之間的距離，以減小互感，原因是互感系數(shù)與距離成反比。二是減小信號(hào)線與地之間的距離，以減小信號(hào)線與地之間圍成的磁通面積。減小線地距離外，還應(yīng)盡量避免信號(hào)線的平行布設(shè)。

五、地線（GND）設(shè)計(jì)

1.正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。

在低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，可以應(yīng)采用單點(diǎn)接地的方式。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在1MHz～10MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)波長(zhǎng)的1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。

2.數(shù)字地與模擬地分開(kāi)。

電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開(kāi)，而兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地；高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而粗。高頻元件周?chē)M量用柵格狀大面積地箔，要盡量加大線性電路的接地面積。

3.接地線應(yīng)盡量加粗。

若接地線用很細(xì)的線條，則接地電位會(huì)隨電流的變化而變化，致使電子產(chǎn)品的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能降低。因此應(yīng)將接地線盡量加粗，使它能通過(guò)三倍于PCB的允許電流。如有可能，接地線的寬度應(yīng)大于3mm。

4.接地線構(gòu)成閉環(huán)路。

設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的PCB的地線系統(tǒng)時(shí)，將接地線做成閉路可以明顯地提高抗噪聲能力。其原因在于：PCB上有很多集成電路元件，尤其遇有耗電多的元件時(shí)，因受接地線粗細(xì)的限制，會(huì)在地線上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降；若將接地線構(gòu)成環(huán)路，則會(huì)縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。

六、結(jié)束語(yǔ)

EMC已成為線路設(shè)計(jì)所面臨的主要問(wèn)題之一。由于干擾產(chǎn)生的原因多種多樣，干擾的強(qiáng)弱、影響的程度也是千差萬(wàn)別，所以，PCB布線設(shè)計(jì)中的抗干擾是一項(xiàng)實(shí)踐性非常強(qiáng)的技術(shù)工作。良好的PCB設(shè)計(jì)可以大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力，從而提高系統(tǒng)可靠性。

[1]【美】曼特羅斯(Montrose,M.I.),呂英華,等.電磁兼容的印制電路板設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

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