PCB板的電磁兼容設(shè)計(jì)實(shí)踐

李明英 陳天賜

摘要：電磁兼容的設(shè)計(jì)是復(fù)雜的，在一些人看來也有某些神秘的色彩。由于一個(gè)產(chǎn)品組成的元器件很多，電氣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電磁場分布情況非常復(fù)雜，以致無法用數(shù)學(xué)模型計(jì)算。但這并不意味著電磁兼容設(shè)計(jì)就可以脫離電磁發(fā)射的基本理論，產(chǎn)生這種情況的根本原因還在于基本原理沒有很好地掌握或者缺乏工程設(shè)計(jì)的能力?；诖?，本文就PCB板的電磁兼容設(shè)計(jì)實(shí)踐展開探討。

關(guān)鍵詞：PCB板；電磁兼容；設(shè)計(jì)；實(shí)踐；

幾乎我們能見到的電子設(shè)備都離不開PCB，只要有集成電路等電子元器件，它們之間電氣互連就要用到PCB。因此，隨著電子芯片技術(shù)的發(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。使得PCB板設(shè)計(jì)中電磁兼容性設(shè)計(jì)尤為重要，關(guān)系到電路能否獲得最佳性能，正常穩(wěn)定的工作。因此，本文探討PCB板的電磁兼容設(shè)計(jì)實(shí)踐具有重要意義。

一、PCB板電磁兼容的概念與意義

1.電磁兼容的概念

電磁兼容（EMC）指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。

形成EMI必備的三個(gè)部分：電磁干擾源，耦合路徑和敏感部件。能使共享同一環(huán)境的其它設(shè)備或系統(tǒng)性能降低或失效的電磁危害，即稱為電磁騷擾源；敏感部件便是指當(dāng)受到電磁騷擾源所發(fā)射的電磁量的作用時(shí)會(huì)性能降低或失效的器件或系統(tǒng)。傳輸電磁騷擾的通路或媒介等便是耦合路徑。屏蔽干擾源、切斷或抑制耦合路徑、提高敏感部件的可靠性，抗干擾是提高設(shè)備兼容度的最主要的內(nèi)容。

2.電磁兼容的重要性

在產(chǎn)品研發(fā)出來后，發(fā)現(xiàn)不能通過電磁兼容測試而添加的諸如加屏蔽罩、磁珠等措施，往往是事倍功半。因此在一開始設(shè)計(jì)時(shí)就要結(jié)合電磁兼容思想，對(duì)設(shè)備的電磁兼容性程度進(jìn)行先期分析。在印制板上采取技術(shù)措施，比在其他方面采取措施更具有可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

二、 PCB板電磁兼容的問題分析

1.電源系統(tǒng)干擾

（1）由于系統(tǒng)電源供能源的同時(shí)，也將其寄生的干擾噪聲加到了供電電路上；（2）由于一些高速邏輯電路工作時(shí)的高速轉(zhuǎn)換，不可避免地在電源線上產(chǎn)生含高頻分量豐富的壓降并且產(chǎn)生干擾（輻射）；（3）由于溫度變化時(shí)的直流干擾，使系統(tǒng)中的一些對(duì)高頻噪聲特別敏感的電路，特別是模擬信號(hào)電路很容易受到來自電源的噪聲干擾。

2.地線的噪聲干擾

（1）地線存在阻抗，當(dāng)電流流過地線時(shí)，會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓。在這個(gè)電壓的驅(qū)動(dòng)下，會(huì)產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾；當(dāng)2個(gè)或2個(gè)以上電路共用一段地線時(shí)，會(huì)形成公共阻抗耦合； （2）頻率高于一定值時(shí)，任何金屬導(dǎo)線都要看成是由電阻、電感構(gòu)成的器件，結(jié)果可能造成各部分地線的不平衡，在地線之間出現(xiàn)電位差，引起電路的誤操作；如果引線長度適當(dāng)，還會(huì)造成傳導(dǎo)和輻射。

3.信號(hào)傳輸線間的串?dāng)_

由于傳輸信號(hào)的高頻特性，各傳輸線路的特性阻抗的不同或與負(fù)載阻抗不匹配，所傳輸?shù)男盘?hào)在終端或臨界部位會(huì)發(fā)生反射，使傳輸信號(hào)發(fā)生或產(chǎn)生振蕩。另外，傳輸線的走向、寬度、線間的間距的不合理設(shè)計(jì)，還會(huì)造成線間的信號(hào)疊加和附加延時(shí)，這些都可能造成信號(hào)傳輸線之間的串?dāng)_。

三、 PCB板的電磁兼容設(shè)計(jì)

1.元器件的合理布置

在器件的選用上偏向電磁輻射小且抗干擾能力強(qiáng)。同時(shí)敏感器件應(yīng)該遠(yuǎn)離干擾源；隔離輸入和輸出口。還應(yīng)該考慮要對(duì)PCB板上的器件進(jìn)行分組，避免各組之間的元器件相互干擾。敏感元件要遠(yuǎn)離變化的大電流，時(shí)鐘線，DCDC電路等。

2.布線

（1）電源線。根據(jù)印刷電路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻，使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致。同時(shí)，在多層PCB中采用電源層和地層，減少電源線到電源層或地層的線長，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。在可能的條件下，使電源單獨(dú)為各功能單元供電。

（2）地線。接地線應(yīng)盡量加粗，若接地線條很細(xì)，則接地電位會(huì)隨電流的變化而起伏，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，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將接地線盡量加粗，使它能通過三倍于印制電路板的允許電流。

（3）信號(hào)線。元件布置中已經(jīng)考慮了把不相容元件放在印制板上不同的位置，在信號(hào)線的布置上仍應(yīng)該注意把它們隔離：不相容信號(hào)線應(yīng)相互遠(yuǎn)離，不要平行；分布在不同層上的信號(hào)線走向應(yīng)互相垂直；高速信號(hào)線特別是時(shí)鐘線要盡可能的短，必要時(shí)可在高速信號(hào)線兩邊加隔離地線，隔離地線兩端應(yīng)與地層相連接；因?yàn)檩斎刖€與輸出線通常是不相容的；盡量減小信號(hào)環(huán)路的面積，這樣可以有效減小環(huán)路的差模電流輻射。

3.分層

PCB的合理分層不但可以降低系統(tǒng)的射頻發(fā)射，更可以提高系統(tǒng)的性能，最典型的就是保證信號(hào)的完整性。要滿足EMC的嚴(yán)格指標(biāo)并且考慮制造成本，適當(dāng)增加地平面是PCB的EMC設(shè)計(jì)最好的方法之一。電源層數(shù)由電源的種類、數(shù)量決定。對(duì)于單一電源供電的PCB，只需一個(gè)電源平面；對(duì)于多種電源，如需互不交錯(cuò)，可考慮采取電源層分割；對(duì)于電源互相交錯(cuò)的單板，需要多種電源供電且互相交錯(cuò)，則必須考慮采用兩層或兩層以上的電源平面。信號(hào)層數(shù)的確定由單板的功能決定。從EMC的角度，需要考慮關(guān)鍵信號(hào)（如時(shí)鐘、復(fù)位信號(hào)等）的屏蔽或隔離來確定是否增加單板層數(shù)。

4.布局

印制電路板上各種單元的相互位置直接影響電路的電磁兼容性，因此要根據(jù)單元電路在使用中對(duì)電磁兼容性的敏感程度的不同進(jìn)行分組，按組對(duì)電路板進(jìn)行分割，讓同組元器件放在一起，這樣在空間上可以保證各組之間不產(chǎn)生相互干擾。

5.電路板的選用

電路板有單面、雙面及HDI（高密度互聯(lián)）板，低、中密度布線電路以及集成度較低的電路多用單面和雙面，集成度高的、密度高的多采用HDI。出于成本的考慮，會(huì)盡量較少pcb 板的層數(shù)。最有效的減小干擾的方法只有通過減小關(guān)鍵信號(hào)的回路面積了。

四、結(jié)語

總之，電子產(chǎn)品的電磁干擾及電磁輻射問題日益引起人們的關(guān)注。電磁環(huán)境對(duì)人類生存環(huán)境產(chǎn)生影響的同時(shí)，也對(duì)電工、電子產(chǎn)品的安全與可靠性產(chǎn)生影響和危害，電磁干擾導(dǎo)致電工、電子產(chǎn)品性能下降、無法工作甚至產(chǎn)品損壞的情況時(shí)有發(fā)生，因此控制產(chǎn)品的電磁輻射，讓電子設(shè)備的電磁兼容等綜合性能指標(biāo)達(dá)到規(guī)定要求變得非常重要。

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（作者單位：寧波薩瑞通訊有限公司）