电磁兼容技术在印制电路板设计中的应用

2010-11-07金丽君顾冬霞泰州师范高等专科学校信息科学系应用电子教研室225300

中国科技信息 2010年20期

金丽君顾冬霞泰州师范高等专科学校信息科学系应用电子教研室 225300

电磁兼容技术在印制电路板设计中的应用

金丽君顾冬霞泰州师范高等专科学校信息科学系应用电子教研室 225300

当今电子技术发展迅速，电子产品的数量及种类不断增加，其功能和速度也在不断提高,使得PCB集成度也愈来愈高,随之而来的电磁兼容性( EMC Electro Magnetic Compatibility) 问题也变得越来越突出。忽略电磁兼容性的PCB设计将无法有效工作，因此PCB设计中的电磁兼容技术研究势在必行。

1 绪言

电磁兼容（EMC）是电子和电气系统、设备和装置在预定的电磁环境和设定的安全界限内的设计的性能水平工作时不会因为电磁干扰而引起不可接受的功能降级（ANSIC64.14-1992）。即要求在同一电磁环境中各种电路、设备、子系统能正常工作又不互相干扰, 达到兼容状态。

目前，电子器材用于各类电子设备和系统仍然以印制电路板为主要装配方式。实践证明，如果印制电路板设计不当，即使电路原理图设计正确，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。所以，保证印制电路板的电磁兼容性是整个系统设计的关键。

2 电磁兼容在印制电路板中的应用

由于PCB集成度和信号频率越来越高,不可避免地会引入EMC(电磁兼容)和EMI(电磁干扰)的问题。所以，设计目的是使PCB板上各部分电路之间没有干扰或将干扰减少到最低，并使印制板对外的传导发射和辐射发射尽可能降低，达到有关标准要求。实际上在设计中采取正确的措施常常能同时起到抗干扰和抑制发射的作用。

2.1 印制电路板板层设计与EMC

在设计印制电路板时，一个最基本的问题是实现电路要求的功能需要多少个布线层和电源平面，印制电路板的层数取决于要求的功能、噪声指标、用于电源的平面、信号分类、网线数量等类似要求。

PCB板设计的开始阶段就是层的设置,层设置不合理可能产生诸多的噪声而形成电磁干扰和自身的EMC问题,所以合理的层布局对电磁兼容性而言是十分重要的。

2.1.1 印制电路板的选取印制电路板有单面、双面和多层板之分。单面和双面板一般用于低、中密度布线的电路和集成度较低的电路。出于成本的考虑，更多的民用设备都采用单面板或双面板。但这两种印制电路板的结构使得它们不仅产生较强的电磁辐射，自身电路也对外界的干扰较敏感。要改善印制线路板的电磁兼容性，最简单而有效的方法就是减小关键信号的回路面积，如产生较强辐射的时钟信号、较敏感的模拟信号等。

多层板适用于高密度布线、高集成度芯片的高速数字电路。对于信号频率较高、器件较密集的印制电路板，尽量选用四层或四层以上的印制电路板。从电磁兼容的角度来说，多层板可以减小线路板的电磁辐射并提高线路板的抗干扰能力。因为在多层板设计中，可以设置专门的电源层和地层，使信号线与地线之间的距离仅为印制电路板的层间距离。这样，板上所有信号的回路面积就可以降至最小，从而有效减小差模辐射。

2.1.2 单面板设计单面PCB通常用于那些不包含周期信号的产品或系统当中。由于在单面板上线条布置受限，就必须十分注意印制板的布线设计。

单面PCB一般用在几百千赫兹工作的情形。这样的低频限制是因为许多实现高频电路所需要的设计条件受到了限制，例如，线条集肤效应，缺乏完整闭合所要求的射频（RF）电流回路的路径以及缺乏回路控制的条件（而这是避免产生磁场和环路天线所必须的）等原因。此外，单面PCB板对于外界射频影响很敏感。静电放电（ESD）、快脉冲、辐射或是传导射频干扰都很敏感。单面板设计，通常不考虑终端匹配和信号完整性设计，因为信号转换的边沿速率较慢，所以PCB印制线条的物理尺寸达不到构成传输线的长度。但是，由于缺乏RF回流路径和通量对消条件，任何I/O连接器都会成为很好的辐射天线。

设计单面PCB的方法我们可以由设计电源和接地线条开始。然后，设计高风险信号，该信号的线条必须紧靠接地线条，只要物理上允许，越近越好。这两步设计完成后，再进行其余线条设计。设计时要做下面几条：

(1)确定沿着最关键电路的信号网络中的电源盒接地点。

(2)划分为功能子段布线。考虑敏感元件及其县官的I/O端口和连接器的要求。

(3)将最关键信号网络的所有元件领近放置。

(4)如果需要有多个接地点，确定这些接地点是否需要连在一起，并且确定如何相连。

(5)布放其余线条，但是要记住承载RF频段能量多的线条需要采取通量最小化，同时要注意确保RF回流路径始终可用。

2.1.3 印制电路板双面板及多层板设计合理排列各层对PCB的抗干扰能力十分有益。PCB设计中层排列的一些基本原则如下。

(1)关键电源平面与其对应的地平面相邻。由于电源、地平面存在自身的特性阻抗 ,电源平面的阻抗比地平面阻抗高,相邻的两平面可形成耦合电容,并与 PCB板上的退耦电容一起降低电源平面的阻抗,同时获得较宽的滤波效果。

(2)相邻层的关键信号不能跨分割区 ,从而避免形成较大的信号环路,降低产生较强辐射和敏感度等问题。

(3)高频、高速、时钟等关键信号有一相邻地平面 ,这样设计的信号线与地平面间的距离仅为线路板层间的距离 ,高频电路将选择环路面积最小的路径流动 ,形成最小的信号环路面积 ,从而减少辐射。也就是说 ,与地线层相邻的信号层作为优选层进行信号走线。参考面的选择也应优选地平面 ,虽然电源平面、地平面皆可用作参考平面，且有一定的屏蔽作用。但相对而言 ,电源平面具有较高的特性阻抗 ,与参考电平存在较大的电位差。从屏蔽角度考虑 ,地平面一般均作接地处理 ,并作为基准电平参考点 ,其屏蔽效果远远优于电源平面。

(4)避免电源层平面向自由空间辐射能量 ,使电源平面小于地平面 ,一般要求电源平面向内缩进 20 H(即20H原则 ,H指相邻电源平面与地平面的介质厚度 )。

根据以上原则，设置了印制电路板多层板的布局方案如表2-1所示。

表2-1 印制电路板多层布局方案

3.印制电路板元器件布局与EMC

PCB 板上元器件布局不当也是引发干扰的重要因素。元器件本身也是一个干扰源和敏感器,尤其是集成电路等有源器件,其固有的敏感特性和电磁特性(比如频率特性、输入/输出阻抗特性、输入端的平衡/非平衡特性、翻转时间等) 对电磁兼容问题产生重要影响。因此,元器件的合理布局,不仅更容易实现原理线路的连通,而且可以保证信号的完整性,满足电磁兼容性的标准。

元器件布局首先应满足系统的机械结构进行定位,把所有严格定位的器件(如变压器、传感器、散热器、显示器、可调式电位器、按键以及接口接插件等) 放好并锁定。一些质量较大的器件不宜直接安装在PCB上,需要用支架并安装在机壳上。但从电磁兼容性考虑,元气件的布局须遵循一些共同的原则。

我们在元器件布局时，注意以下原则，可以避免出现许多的电磁兼容问题:

(1)发热元件远离关键集成电路，最好放在边缘或偏上方部位,以利于散热。

(2)连接器及其引脚应根据元器件在板上的位置确定，所有连接器最好放在印制板的一侧，尽量避免从两侧引出电缆，以便减小共模电流辐射。

(3)敏感器件例如锁相环等，对噪音干扰特别敏感，应给予高隔离度。

(4)在高频情况下,印制线路板上的引线、过孔、电阻、电容和接插件的分布电感与电容等影响很大。高速器件(频率大于10 MHz 或上升时间小于2ns的器件)在印制电路板上的走线要尽可能短。

(5) I/O 驱动器应紧靠连接器，避免I/O信号在板上长距离走线，耦合不必要的干扰信号。

(6)许多电磁干扰都来自电源,集成电路的退耦电容尽量靠近IC 的电源引脚,且退耦电容的引线尽量短。建议使用表贴封装电容。

4.印制电路板接地处理与MEC

地线的处理是印制电路板中非常重要的工作，良好的接地对系统抑制电磁干扰是非常必要的。通常地线是采用环形地网的方法布线，这样可以起到屏蔽的作用，在电路板的高频部分要用较宽的地线，同时最好要局部铜箔，减小信号线的回路面积。寄生电感和较大的地线电流会使器件引脚和地电位之间产生电位差这会产生共模辐射，所以要采取合理的接地措施。我们最经常涉及的一种接地拓扑结构式RF地。具体我们一般有三种接地方式：单点接地、多点接地和混合接地。

4.1 单点接地

当元件、电路、连接器和类似的部件的工作频率在1MHZ以下时，接地电路形成的电流对于干扰的影响比较大，单点接地时最好的方式。如图4-1（a）和4-1（b），这两种单点接地中，并联单点接地简单，避免了公共阻抗耦合和低频地环路问题。注意不适用于高频应用。

4.2 多点接地

高频设计，当信号频率大于10MHZ时，最好采用多点接地的方式，如果采用一点接地，则地线长度不能超过波长的1/ 20。结构图如4-2所示。

混合接地，这种接地方式在高频是可以被看作多点接地，而在低频是则可以被看作单点接地，是依照频率而定的。有两种结构如图4-3所示。图4-3(a)混合接地（电容耦合）4-3(b)混合接地（电感耦合）。

除了以上的三种接地方式以外，还有一种是浮地，浮地是将电路或设备与公共接地平面进行电隔离。因为在实际应用中够做到真正的浮地是比较困难的，所以通常情况下，都不是完全隔离，而是在浮地设备和大地之间接一个电阻值很大（通常为几兆欧）的泻放电阻，这样就把静电通过这个通道泻放到大地上。在同时有数字电路和模拟电路的场合，模拟地和数字地要分开来接，然后在电路板的接口处单点接地，这样数字地上的压降就不会影响模拟信号。接地线的电阻要小，地线要粗，通常在2～3mm，此外，把接地电路构成闭环路可以显著提高系统抗干扰能力。

5.结束语

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，合理的分层、布局和布线是印制电路板设计中必须慎重考虑的环节。本文所介绍的印制电路板设计中的基本电磁兼容的方法只是EMC设计中的一部分，在EMC技术中还要考虑反射噪声、串扰噪声、辐射发射噪声、退耦电容、和其他工艺技术问题引起的干扰，才能设计出具有良好EMC性能的PCB电路板。印制电路板设计中的电磁兼容问题很复杂，目前并没有一个统一的方法来解决所有的电磁兼容问题，只有在工作和学习中不断摸索与实践。在设计的初级阶段发现并改正一些电磁干扰问题，采用合理的抗电磁干扰措施。

随着PCB工艺的提高和电磁兼容学的深入发展, 抗干扰和电磁兼容技术也会随着器件制造、电路设计和软件编写等技术的成熟而不断发展。其电子产品的电磁兼容性能也将有显著提高。