航天电子线路产品印制线路板相关电磁兼容性设计

魏凌云

（北京控制工程研究所，北京 100190）

0 引言

电磁兼容（Electromagnetic Compatibility, EMC）设计的目的是使所设计的电子线路产品或系统在预期的电磁环境中实现EMC。目前航天器中所有的电子线路产品都是通过设计印制线路板来实现其功能。诸多的应用实例表明，即使电子线路产品在原理图设计阶段没有问题，若其印制线路板的EMC 设计不当，也不能实现预期的功能，因此良好的EMC 设计是所有电子线路产品乃至整个航天器设计的关键。

电子线路产品的EMC 设计分为产品内和产品间两部分，产品内的EMC 设计又分为有源器件的选用、布线、接地、屏蔽及滤波5 个部分[1]。电子线路产品设计人员在最开始的电原理设计时就需要考虑EMC 设计。同时，在印制线路板布线设计过程中的EMC 设计也是重要环节之一，特别是印制线路板的地线设计是其中的重中之重，地线设计的好坏将直接影响整个产品的EMC 性能。因此，本文主要分析印制线路板布线的EMC 设计，重点是印制线路板上地线的设计。

1 印制线路板布线设计中的EMC 技术

1.1 印制线路板种类

印制线路板是电子产品实现其功能的重要载体，如果设计得当，它将具有减少骚扰和提高抗扰 度的优点。印制线路板设计应符合GB 4588.3-8《印制电路板设计和使用》的要求。目前航天领域使用的印制线路板主要有2 种，即双面（2 层）板和多层板。本节首先介绍印制线路板布线设计时运用到的EMC 技术，然后主要针对双面板和多层板这2种印制线路板给出相关布线的EMC 设计方案。

1.2 降低和抵抗传导和辐射骚扰的基本原理

1.2.1 公共阻抗与近场耦合最小化原理

当出现大的稳态电流或电流变化很快时，公共阻抗会产生共阻抗型传导骚扰，因此使公共电源线和地线上的公共阻抗变小，其产生的共阻抗型传导骚扰就会降低。

当信号线间分布电容或分布互感较大时，会产生近场耦合型传导骚扰，因此使信号线间的分布电容或分布互感变小，其产生的近场耦合型传导骚扰就会降低。

1.2.2 镜像平面与磁通最小化原理

当正线与回线电流大小相等、方向相反且距离无限小时，正线与回线电流产生的空间电磁场相反而抵消，不产生电磁辐射。从电路角度看，此时互感等于自感。

当正线与回线电流大小相等、方向相反时，回线电流相当于正线电流的镜像。因此，如能建立一个镜像平面作为回线，就可以使正线电流与回线电流大小相等、方向相反。

以上两点即是镜像平面与磁通最小化原理，它们引申到印制线路板布线设计时的基本原则是：使信号线正线电流与回线电流相等，并使它们组成的回路面积尽可能小。这样可以有效降低电磁辐射并有利于抵抗电磁骚扰。

1.3 双面板EMC 设计方案

双面板的优点是安装在印制线路板上的元器件易于修改或更换，只适用于要求中等密度的场合。在进行双面板设计时应该首先将地线网格布好，然后再进行信号线及电源线的布线，但地线网格设计不适合低频小信号模拟电路。双面板设计若忽略过孔的阻抗，建议将双面板的一面走横线、另一面走竖线，同时将高速信号线尽量靠近地线以减小环路面积。

在高速数字电路中要尽量避免使用“梳状”的地线设计（图1），这种地线结构会导致信号回流电流的环路面积很大，增加印制线路板的辐射和敏感度，且芯片之间的公共阻抗也可能会造成电路的误动作。解决措施是在梳齿间增加横线，即将“梳状”地线结构变成地线网格。

需要注意的是在印制线路板设计时不能将数字地与模拟地重合，这样会使数字电路骚扰耦合进模拟电路，但数字地和模拟地可以在数-模转换器的部位单点连接。

图1 梳状地线结构Fig.1 Structure of ground wire of comb type

1.4 多层板EMC 设计方案

为满足当前电子产品功能不断增加、体积逐步缩小的要求，印制线路板设计已不再仅使用双面板设计，正在逐步向多层板发展。

多层线路板是由预浸环氧玻璃布把3 层以上 的分离导电图形黏接层压而成，电源和地线是由非浸蚀35 μm 铜箔板构成的，这样电源和地线组成的平面就具有极低的分布源阻抗。因此，多层板比双面板更能避免共阻抗耦合，提供屏蔽。多层板的缺点是不易于修改，只适用于设计预期变化不大或没有变化的产品。

4 层以上（含4 层）的线路板统称为多层板。实践经验表明，为使多层印制线路板具有较好的电磁兼容性，在进行分层设计时应依据以下原则。 1）4 层板分层：信号层，地线层，电源层，信号层。如果电源电压有多种规格，可在电源层作划分或连接，但地线层最好不作划分，且重要信号线紧挨着地线层。2）6 层板分层：信号层，地线层，信号层，电源层，地线层，信号层。这种设计是为了保证电源和地之间的距离较小，这样电源的解耦效果较好，且内层信号之间没有串扰现象。3）8 层板分层：信号层，地线层，信号层，地线层，电源层，信号层，地线层，信号层。这种设计与6 层板分层的原则一致。4）10 层板分层：信号层，地线层，信号层，信号层，地线层，电源层，信号层，信号层，地线层，信号层。如果印制线路板的分层继续增多，其设计仍可按照上面的分层原则进行。

另外，多层印制线路板的设计还应遵守以下几条共同的原则。1）主电源平面层即平均功率最大的电源层一定要紧邻地线层，且在地线层的下面，这样可以保证电子线路中的电源与地的距离最近，有利于电源的解耦。2）数字电路与模拟电路分开。3）时钟电路及高频电路是主要的辐射源，应单独安排、远离敏感电路。4）20H 原则：即要求印制线路板电源层等的物理尺寸应该比最靠近的地线层的物理尺寸小20H（H 为电源层和地线层间的距离[2]），这样的设计可以将电源对附近电路的耦合降低70%左右；当这个距离增加为100H 时，电源对附近电路的耦合几乎可以降低98%。5）2W 原则：即要求保证任何线条间距不小于2 倍的印制导线线条宽度（W 为印制导线线条宽度[4]）。6）在印制线路板上不允许有任何电气上没有连接并悬空的金属存在，例如集成片上空闲的引脚、散热片、金属屏蔽罩、支架和板上没有利用的金属面等都应该就近连接地线层。

2 印制线路板中的地线设计

2.1 接地设计原则

印制线路板的地线设计是印制线路板设计的一个基本问题，是一项难度较大的设计，也是解决EMC 问题最有效和最廉价的方法。为了能够完美实现电原理设计的初衷，在进行印制线路板设计过程中，地线设计起到了非常关键的作用。所谓“地”一般定义为电路或系统的零电位参考点。“接地”一般是指电路或系统与“地”之间建立低阻通路，其中一点通常是系统的一个电气或电子元件，而另一点则是称之为“地”的参考点[3]。印制线路板接地的目的就是为了对线路板上的信号电压提供参考地，而其印制线路板EMC 设计核心就在于减小接地线的阻抗。为了实现这一目的，一般在印制线路板的板级地线设计中应遵守以下原则[4]。

1）根据工作频率选择正确的接地方式

在低频（频率小于1 MHz）电路中，接地阻抗较小，而接地电路中的环流对干扰的影响不容忽视，宜采用单点接地设计方式；若信号工作频率大于10 MHz 时，接地阻抗变得很大，应采用多点就近接地的设计方式以期尽量降低接地阻抗；当信号工作频率达到100 MHz 时，应采用多点接地法且地线长度不应超过信号波长的1/20，这样才能获得较低的接地阻抗。

2）保证接地线有足够宽度

若接地线很细，接地阻抗就较高，这样接地电位则容易随电流的变化而变化，影响电子线路的抗噪声性能。因此应尽量将接地线加粗，如有可能接地线的宽度应不小于3 mm。

3）将接地线构成闭环路

若设计只由数字电路组成的线路板的地线系统时，将地线做成封闭环路可以明显降低接地阻抗，缩小不同接地点间的电位差，提高电子线路产品的抗噪声能力。

4）双面板地线布局设计准则

对双面板上的数字电路来说，最好采用网状/矩阵状的地线布局，因为这种配置可以降低接地阻抗，减小接地回路和信号环路长度。电源线和地线的最小宽度应为1.5 mm。

5）多层板地线布局设计准则

如果电源电压有多种规格，地线层最好不要划分，重要信号一定要紧靠地线层走线。当采用多层印制线路板设计时，如1.3 节所述可将其中几层作为地线层，这样有利于降低整个电子线路系统的接地阻抗，同时又能起到良好的屏蔽作用，达到电磁兼容的目的。

2.2 接地方式设计

目前电子产品在系统中的接地方式可以分为悬浮地、单点接地（串联单点接地和并联单点接地）、多点接地及混合接地等。

1）悬浮地是指电子线路产品的地线在电气上与系统的参考地相绝缘，如图2所示。

图2 悬浮地Fig.2 Suspended grounding

2）单点接地是指所有线路的地线接到公共地线的同一点，单点接地还可进一步分为串联单点接地和并联单点接地，如图3、图4所示。单点接地设计常应用于模拟电路。

图3 串联单点接地Fig.3 Series single point grounding

图4 并联单点接地Fig.4 Parallel duplicate point grounding

3）多点接地是指所有线路的地线都接到公共地线的不同点上，即线路地线设计采取就近接地的方法，如图5所示。在数字电路及高频大信号电路中推荐使用多点接地，且要求每根接地线的长度小于信号波长的1/20，这样能够降低接地阻抗产生的共模电压，但这种方式不适合敏感的模拟电路。

图5 多点接地Fig.5 Multipoint grounding

4）混合接地是指在地线系统内使用电感、电容连接，利用电感、电容在不同频率下有不同阻抗的特性使线路在不同的工作频率下具有不同的接地结构，如图6所示。在多层、多电源且数、模混合的印制线路板设计中，建议选用混合接地方案。

图6 混合接地Fig.6 Hybrid grounding

3 航天产品应用举例

目前航天产品有一个共同的特点和要求就是尽可能减小产品的尺寸、质量和功耗。航天电子线路产品也逐渐向一体化、小型化和低功耗方向发展。减小印制线路板的尺寸可以直接减小航天电子线路产品的尺寸和质量；同时，将电子线路与机械部件集成在一起，也是航天机电产品一体化的发展方向。但电路的高度集中会造成模拟小信号和驱动大信号电路，低频模拟电路和高频数字电路分布在同一块印制线路板中，印制线路板设计师在布线时稍不注意，就有可能带来印制线路板的EMC 设计问题。

例如：某航天产品，为了实现一体化设计，在电子线路分板设计时需要将模拟小信号采集电路和大电流驱动电路放在同一块印制线路板中。最初的布线如图7所示，存在共阻抗骚扰。

生产加工完成的线路板，加电工作时的大电流驱动电路工作特性为几千Hz 断续工作，小信号采集电路上存在很大的电压噪声。这是由于两部分电路在物理上共用了一段电源线和地线，产生共阻抗骚扰引起的。后来，将大电流驱动电路和小信号采集电路的电源线和地线分别布线（如图8所示），消除了共阻抗骚扰。

图7 存在共阻抗骚扰布线Fig.7 Wiring with impedance disturbance

图8 消除共阻抗骚扰布线Fig.8 Wiring of avoiding impedance disturbance

4 结束语

航天电子线路产品印制线路板布线的EMC 设计是技术性很强的工作，尤其是地线的设计需要大量的工程经验积累作为基础。本文主要针对印制线路板设计中布线的EMC 技术和印制线路板中地线走线设计的原则进行了相关阐述，针对印制线路板的种类给出了双面板和多层板以及接地方式的设计方案，对从事相关领域技术工作的技术人员具有一定的指导意义。

（References）

[1]杨克俊.电磁兼容原理与设计技术[M].北京∶人民邮电出版社, 2004∶352

[2]白同云, 吕晓德.电磁兼容设计[M].北京邮电大学出版社, 2001∶286

[3]顾海林.电磁干扰与电磁兼容性技术综述[J].科技创新导报, 2008 (28)∶88-89

[4]王芳.提高印制电路板的抗干扰能力及电磁兼容的措施[J].信息技术, 2009(7)∶174-177 Wang Fang.The measures of improving the anti-interference capability and electromagnetic compatibility of PCB[J].Information Technology, 2009(7)∶174-177