基于PCB的电磁兼容的设计

oushi

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。本文介绍PCB中常见的电磁干扰及PCB的电磁兼容设计，这些方法与技巧有利于提高高速PCB的EMC特性。

1　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。

1.1 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。

                               
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图1 噪音通过共模阻抗耦合

1.2 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。

1.3 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。

2 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。

2.1 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。

2.2 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。

2.3 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。

2.4 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；

2.5 PCB板的电源线设计
（1）根据印制板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。

2.6 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。

2.7 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。

2.8 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。

3 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

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