淺談PCB設計中的電磁兼容問題

李延慶，馬勇

（1.西安蘭德新能源汽車技術開發有限公司，陜西 西安 710043；2.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

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淺談PCB設計中的電磁兼容問題

李延慶1，馬勇2

（1.西安蘭德新能源汽車技術開發有限公司，陜西 西安 710043；2.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

本文簡要的介紹了電磁兼容的相關概念，論述了PCB設計中常見的電磁兼容問題，然后分幾個方面來講了PCB的電磁兼容設計以及實際應用電路中的抗干擾設計。

PCB；電磁兼容；布局；抗干擾

CLC NO.:U463.6Document Code:BArticle ID:1671-7988(2014)11-01-03

引言

截止目前，電磁兼容問題一直是電子設備和產品研發過程中的一個核心問題，電磁兼容性影響著整個系統工作的可靠性以及穩定性。因此，電磁兼容性是電力設備能否正常工作的關鍵。所有電力設備的載體都是印制電路板PCB，它的性能直接關系到電子設備質量的可靠性。所以在印制電路板PCB的設計中，電磁兼容性設計的是否合理是改善PCB乃至整個系統性能的關鍵。為此本文介紹了PCB設計中的的電磁兼容問題，并通過從電路板的選取、元器件的選型布局、電源線地線的設計等方面來講了PCB的電磁兼容該如何設計；最后從各電路模塊的電磁兼容性能考慮，來具體分析怎樣才能有效的抑制電磁干擾，來提高電路系統的可靠性以及穩定性。

1、電磁兼容（EMC）

EMC-Electro Magnetic Compatibility ，國際電工委員會標準IEC的定義是：系統或設備在所處的電磁環境中能正常工作，同時不對其他系統和設備造成干擾。電磁兼容EMC包括兩方面：電磁干擾EMI和電磁抗擾EMS。對于電磁兼容性，必須滿足三個要素：

（1）電磁兼容需要存在某一個特定的空間。比如，大的，一個房間甚至宇宙；小的，可以是一塊集成電路板。

（2）電磁兼容必須同時存在騷擾的發射體和感受體。

（3）必須在一定的媒體（耦合途徑）將發射體與感受體結合到一起。這個媒體可以是空間，也可以是公共電網或者公共阻抗。

上述的三個基本要素必須都具備時才會發生電磁干擾。如果去除了其中之一，就不會發生電磁干擾。所以，工程師根據哪一個因素容易消除來降低或者去除電磁干擾。

2、PCB設計中常見的電磁兼容問題

PCB設計中的電磁兼容問題，應先了解PCB中各種電磁干擾的產生機理和傳播途徑，然后才能提出相應的解決方案。通常PCB中存在的電磁干擾有：傳導干擾，輻射干擾和串音干擾。產生干擾的根源是電路中電壓或電流的變換。

2.1 傳導干擾

傳導干擾主要通過導線耦合及共模阻抗耦合來影響其他電路。例如噪音通過電源電路進入某一系統，所有使用該電源的電路就會受到它的影響。噪音通過共模阻抗耦合的，電路與電路共同使用一根導線獲取電源電壓和接地回路，如果其中一個電路的電壓突然升高，那么另一電路必將因為共用電源以及兩回路之間的阻抗而降低。對于地回路也是如此。

2.2 輻射干擾

輻射干擾是由于空間電磁波的輻射而引入的干擾。PCB中的輻射干擾主要是電纜和內部走線間的共模電流輻射干擾。當電磁波照射到傳輸線上時，將出現場到線的耦合問題，沿線引起的分布小電壓源可分解為共模（CM）和差模（DM）分量。共模電流指兩導線上振幅相差很小而相位相同的電流，差模電流則是兩導線上振幅相等而相位相反的電流。

2.3 串音干擾

串音干擾是一個信號線路干擾另外一鄰近的信號路徑。它通常發生在鄰近的電路和導體上，用電路和導體的互容和互感來表征。

3、PCB的電磁兼容設計

PCB的EMC設計，主要從EMI和EMS兩方面考慮。針對EMI的設計，要抑制源頭、減少輻射和輸入的干擾；針對EMS，要提高PCB板自身的抗干擾能力，遇到干擾，能削弱干擾或者能將干擾巧妙的導入大地。一個可靠的印制電路板既要考慮到EMI，又要考慮到EMS。一般需要注意以下幾點：印制電路板的選取、元器件的選型及布局、印制電路板的布線設計、抗干擾設計等。

3.1 電路板的選取

電路板有單層板、雙層板以及多層板。根據電路板的電源、地的種類、信號密度、板級工作頻率、有特殊布線要求的信號數量，以及綜合電路板的性能指標要求與成本承受能力，確定面板的層數；目前，高密度布線、高集成度芯片的高速數字電路一般采用四層或四層以上的多層板。要提高PCB的電磁兼容性，最有效的方法就是減小關鍵信號尤其是電源信號的回路面積。在多層板設計中，可設置專門的電源層和地層，使信號線與地線之間的距離僅為印制電路板的層間距離。這樣，板上信號的回路面積就可以降至最小，從而有效減小差模輻射，提高線路板的抗干擾能力。

時鐘頻率到5MHZ或脈沖上升時間小于5ns，則PCB板必須采用多層板，多層板板層的排列原則為：元件下為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供參考平面；所有信號層盡可能與地平面相鄰；盡量避免兩信號層直接相鄰；主電源盡可能與其對應地相鄰；若信號線可以在電源/地層上進行布線，則首先應考慮用電源層，其次才是地層，因為最好是保留地層的完整性。四層板層疊順序一般為信號層、地層、電源層、信號層；六層板層疊順序為信號層、地層、信號層、地層、電源層、信號層。

選擇電路板時盡可能選擇基板材料的相對介電常數大的PCB，此類PCB特性阻抗小些。

3.2 電容的設計

電容的選擇：一般電路中我們選擇貼片式電容，不選擇直插式電容。旁路電容和去耦電容，可通過所使用的時鐘速度來計算所需電容器的自諧振頻率，根據頻率以及電路中的容抗來選擇電容值。封裝尺度盡量選擇更低引線電感的SMT電容器，而不選擇通孔式電容器。另外，產品設計也常常采用并聯去耦電容來提供更大的工作頻帶，減少接地不平衡。并聯電容系統，當工作頻率高于自諧振頻率時，大電容表現感性阻抗并隨頻率增大而增加；而小電容則表現為容性阻抗并隨頻率增加而減少，而且此時整個電容電路的阻抗比單獨一個電容時的阻抗要小。

旁路電容一般作為高頻旁路器件來減少對電源模塊的瞬態電源要求，通常電解電容和鉭電容比較適合做旁路電容，其電容值取決于PCB板上的瞬態電流要求，一般在10～470uF范圍內，若PCB板上有許多集成電路、高速開關電路和具有長引線的電源，則應該選擇大容量的電容。

去耦電容的配置：一般每個集成電路芯片都布置一個0.01pF的陶瓷電容；對于抗噪能力弱、關斷時電源變化大的器件，如RAM、ROM存儲器件，應在芯片的電源線和地線之間直接接入去耦電容；電容引線不能太長，尤其是高頻旁路電容不能有引線；CMOS的輸入阻抗很高，且易受感應，因此在使用時對不用端要接地或接正電源。

3.3 元器件布局

在印制電路板中對元件布局時，從頻率考慮應先高頻電路，然后中頻電路，最后低頻電路；從邏輯速度考慮，應先高速邏輯電路，再中速邏輯電路，最后是低速邏輯電路。

元器件布局時，注意以下幾點可以避免許多電磁兼容問題：

（1）發熱元件遠離關鍵集成電路。最好將功率輸出器件及電源等易發熱元器件布置在PCB的邊緣或偏上方部位以利于散熱。

（2）敏感器件應遠離CPU時鐘發生器，同時在其周圍的電源銅箔上蝕刻出馬蹄形可提高隔離性。

（3）所有連接器應放在印制板的一側，盡量避免從兩側引出I/O電纜，以便減小共模電流輻射。

（4）當引線長度大于噪聲頻率相應波長的1/20時，就會產生天線效應，因此高速器件在印制電路板上的走線應盡可能短，且盡可能遠離連接器。輸入輸出（I/O）驅動器應緊靠連接器，避免I/O信號在板上長距離走線，耦合不必要的干擾信號。

（5）工作頻率接近或工作電平相差大的元器件應相距遠些，以免相互干擾，宜將時鐘發生器、振蕩器等易產生噪聲的器件相互靠近布置，將有關邏輯電路部分盡量遠離一些；

（6）電磁干擾（EMI）濾波器要盡可能靠近EMI源，并盡可能放在同一面線路板上。

3.4 電源線和地線的設計

電源的設計：在PCB設計中，電源網絡、地網絡如果布局布線不合理容易引起干擾，使產品性能下降，有時甚至影響到產品的成功率。為了降低電源、地線所產生的噪聲干擾，盡量按照以下方式來布設：

第一，電源和地線之間加上去耦電容。

第二，盡量加大電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關系是：地線>電源線>信號線。通常信號線寬為0.2～0.3mm；電源線為1.2～2.5mm。

地線的設計：數字與模擬地分開，若線路上既有邏輯電路又有線性電路，應使他們盡量分開。低頻電路的地應盡量采取單點并聯接地，實際布線有困難時可部分串聯后再并聯接地，高頻電路的地宜采用多點串聯接地，地線應短而粗，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地銅箔。接地線應盡量加粗，使它能通過3倍于PCB板上允許的電流，如有可能接地線應在2～3mm以上。如接地線較細，則接地電位隨著電流的變化而變化，使抗噪性能降低，因此應將接地線加粗。另外，只由數字電路組成的印制板，其接地線構成閉環路能提高抗噪能力。

4、實際電路中的抗干擾設計

進行電路設計之前，應先熟悉所用元器件的電磁兼容性能。選好元器件并熟悉它們的高頻性能是進行電磁兼容設計的第一步，在這些元器件與產品的電磁兼容性有關時更應注意選擇已經驗證過的產品。

從電磁兼容角度來看電路，電路可以分成如下幾個功能模塊：

（1）產生電磁干擾的電路，如數字電路、微處理器及外圍電路、開關電源等；

（2）需保護不受干擾的電路，如小信號處理電路、A/D轉換電路的模擬輸入與轉換部分；

（3）與干擾無關的電路，如無元器件組成的網絡、負載等；

（4）接口電路，通常干擾通過這些接口輸入或輸出電路。

按照電磁兼容的性能劃分好電路模塊后，就可以根據不同的電磁兼容的類別采取不同的措施。對于易產生干擾的電路可采取減小干擾或者隔離干擾電路的措施。本身不產生干擾，但是對干擾又敏感的電路應與干擾電路隔離開來。與干擾無關的電路根據實際情況布，可以不做重點考慮。接口電路需要特別小心，要增加抗干擾的防護措施來防止外界的干擾，同時也要避免將干擾信號傳到外面。

一般最好將產生干擾的數字電路與容易受干擾影響的模擬電路分區布局布線，最好能用隔離帶分割。模擬電路一般容易受干擾，所以將其敏感導線的長度盡量縮短以提高抗干擾性能。每個模擬電路與數字電路的連線應經過隔離濾波器，對線上的干擾提供足夠大的衰減。

5、總結

PCB設計中的抗干擾是一項實踐性較強的技術工作，且必須理論聯系實際，才能有效的解決實際問題，所以PCB設計人員必須具備一些電磁兼容相關方面的知識。良好的PCB設計可以會有效的抑制一些干擾，大幅度提供系統的抗干擾能力，從而提高系統的可靠性。

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[2] 王振華, 張學平.電磁兼容技術在PCB抗干擾設計中的應用[J].中國無線電, 2006,(2):60-63.

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[4] 陳窮，蔣全興，柳光福等.電磁兼容性工程設計手冊[M] .北京：國防工業出版社，1993.

An Outline for the PCB EMC design

Li Yanqing1, Ma Yong2
(1.Xi’an Lande New Energy Vehicle Technology Development Co., Ltd., Shanxi Xi’an 710043;
2.Shanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shanxi Xi’an 710200）

This paper introduces the concepts of Electromagnetic Compatibility, then discusses the common PCB design electromagnetic compatibility, and from several aspects The PCB EMC design, and practical application in terms of anti-jamming circuit design.

PCB; electromagnetic compatibility; layout; interference

U463.6

B

1671-7988(2014)11-01-03

李延慶，就職于西安蘭德新能源汽車技術開發有限公司。