基于PCB板电磁兼容性设计方法的研究

2016-07-09唐幸儿梁季彝

数字技术与应用 2016年6期

唐幸儿　梁季彝

摘要：从电子系统电磁兼容性的角度出发，详细地叙述了印刷电路板上的元器件的布局、供电线路和信号线路的布线原则；并对印刷电路板的自动布线进行讨论。电磁干扰对电子系统的危害和影响，PCB电磁兼容性设计的原因、原则，PCB抗干扰的一般措施。结合在PCB设计方面的实际经验，阐述电子系统电磁兼容性设计的方法和技巧，确保电子系统实现最优性能。

关键词：电磁干扰 PCB 电磁兼容性

中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0000-00

Abstract：From the electronic system electromagnetic compatibility point of view， a detailed account of the printed circuit board component layout， power lines and signal lines wiring principles； and automatic routing of printed circuit boards for discussion. Electromagnetic interference on the hazards and effects of electronic systems，PCB design of electromagnetic compatibility reasons， in principle， PCB general anti-jamming measures. Combines practical experience of PCB design，elaborate electronic system electromagnetic compatibility design methods and techniques to ensure that electronic system to achieve optimal performance.

Key words： Electromagnetic interference； PCB； electromagnetic compatibility

compatibility

随着电子通信技术的发展，无线射频及控制电路技术运用越来越广，如：无线多通道遥控车、无线手机、红外线遥控等，其中的射频电路的性能指标直接影响整个产品的质量。这些掌上产品的一个最大特点就是小型化，而小型化意味着元器件的密度很大，这使得元器件（包括SMD、SMC、裸片等）的相互干扰十分突出。本文讨论采用Protel se软件进行PCB设计时（以五、八通道为例），如何最大限度地实现电路的性能指标，以达到电磁兼容要求。

1 电路板设计的一般原则

电路板设计的一般原则包括：电路板的选用、电路板尺寸、元件布局、电路布线、焊盘、填充、跨接线、包地等。其中元件布局和电路布线是影响电路板性能最重要的部分，下面对元件布局和电路布线结合五通道坦克车的接收控制作详细阐述。

1.1元件布局

首先应考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后，再确定元件的位置，一般来说，应把模拟信号、高速数字电路、噪声源（如继电器、大电流开关等）这三部分合理分开，使相互间的信号耦合为最小。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。

1.2 电路布线

1.2.1电路布线的原则

（1）输入、输出端用的导线应尽量避免相邻平行，最好加线间地线，以免发生反馈耦合。

（2）导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定，当铜箔厚度为0.05毫米、宽度为1～15毫米时，通过2安的电流，温度不会高于3摄氏度。因此，导线宽度为1.5毫米便可满足要求。对于集成电路尤其是数字电路，通常选宽度为0.02～0.3毫米的导线，当然，只要允许，还是尽可能用宽线，尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。

1.2.2射频电路PCB设计对布线的要求

在射频电路PCB设计中，电源线和地线的正确布线显得尤其重要，合理的设计是克服电磁干扰的最重要的手段。PCB上相当多的干扰源是通过电源和地线产生的，其中地线引起的噪声干扰最大。地线容易形成电磁干扰的主要原因于地线存在阻抗。当有电流流过地线时，就会在地线上产生电压，从而产生地线环路电流，形成地线的环路干扰。当多个电路共用一段地线时，就会形成公共阻抗耦合，从而产生所谓的地线噪声。因此，在对射频电路PCB的地线进行布线时应该注意以下问题：五通道坦克车高频部分如进行完全包地处理，会影响接收机的稳定性并受电磁干扰，应留有缺口不应完全封闭，如图1所示。

2 电路板及电路抗干扰措施

印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，以下从三个方面讨论PCB抗干扰设计的措施。

2.1电源线设计

根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。

2.2地线设计

（1）印刷电路板上，电源线和地线最重要。克服电磁干扰，最主要的手段就是接地。对于双面板，地线布置特别讲究，通过采用单点接地法，电源和地是从电源的两端接到印刷线路板上来的，电源一个接点，地一个接点。印刷线路板上，要有多个返回地线，并都会聚到回电源的那个接点上，就是所谓单点接地。与印刷线路板以外的信号相连时，通常采用屏蔽电缆。对于高频和数字信号，屏蔽电缆两端都接地。低频模拟信号用的屏蔽电缆，一端接地为好。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和模拟地等。

（2）地线设计的原则是：数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开，分别与电源端地线相连，并尽可能加大线性电路的接地面积。

（3）低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。

（4）当工作频率在1～10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。将接地线构成闭环路。设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时，将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。其原因在于：印制电路板上的很多集成电路元件，尤其遇到耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地结上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降，若将接地构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。RX2八通道遥控接收板，如图2所示。

2.3合理设置退耦电容

性能好的高频去耦电容可以去除高到1GHZ的高频成份。瓷片电容或多层陶瓷电容的高频特性较好。去耦电容有两个作用：一方面旁路除掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容为0.1uf的去耦电容有5nH分布电感，它的并行共振频率大约在7MHz左右，也就是说对于10MHz以下的噪声有较好的去耦作用，对40MHz以上的噪声几乎不起作用。1uf，10uf电容，并行共振频率在20MHz以上，去除高频率噪声的效果要好一些。在电源进入印刷板的地方和一个1uf或10uf的去高频电容往往是有利的，即使是用电池供电的系统也需要这种电容。另一方面是本集成电路的蓄能电容，提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能；每10片左右的集成电路要加一片充放电电容，或称为蓄放电容，电容大小可选10uf。最好不用电解电容，电解电容是两层溥膜卷起来的，这种卷起来的结构在高频时表现为电感，最好使用胆电容或聚碳酸酝电容。去耦电容值的选取并不严格，可按C=1/f计算，即10MHz取0.1uF。对微控制器构成的系统，取0.1～0.01uF之间都可以。退耦电容的一般配置原则是：

（1）电源输入端跨接10～100uF的电解电容器。如有可能，接100uF以上的更好。

（2）原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01uF的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每4～8个芯片都应布置一个1～10uF的钽电容。

（3）对于抗噪声能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入退耦电容。

（4）电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。

3 结语

电磁干扰信号如果处理不当，可能造成整个电路系统的无法正常工作，因此，如何防止和抑制电磁干扰，提高电磁兼容性，就成为设计无线多通道遥控PCB板时的一个非常重要的课题。同一电路，不同的PCB设计结构，其性能指标会相差很大。

参考文献

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