印制電路板的電磁兼容設計

矯建法

摘 要

隨著電子技術的迅速發展，各類電子產品的種類和數量不斷增多，功能也越來越齊全，印制電路板（PCB）的集成度也逐漸提高，凸顯出了電磁兼容性的問題，要想讓電子電路運行達到最佳效果，對電磁兼容設計進行深入考慮十分必要。本文基于上述背景，對PCB板的電磁兼容設計進行了研究，希望能為設計人員提供借鑒。

【關鍵詞】印制電路板 電磁兼容 設計

電磁兼容是指電氣系統、電子設備裝置在預定的安全界限和電磁環境內，設計的性能工作水平不會因電磁感染而導致功能降級。即要求在同一電磁環境下，各種電路設備和電子系統均能順利運行但又不相互干擾，保持良好的兼容狀態。目前PCB板廣泛應用于各類電子設備和系統的裝配中，若設計不當，即使電路原理正確，也會對兼容的可靠性造成影響，因此對電磁兼容性進行設計，保證PCB板的穩定兼容是整個電路系統設計的核心環節。

1 PCB板板層設計與電磁兼容

1.1 選取合適的PCB板

PCB板可分為單面、雙面和多層板：

（1）單面和雙面多用于中低密度布線或低集成度的電路，出于制造成本的考慮，大部分民用電子設備均是采用單面或雙面板。但這兩種結構自身產生的電磁輻射較強，對外界的干擾極為敏感。

（2）多層板在高密度布線和高集成度芯片電路中較為常用，若信號頻率高且電子元器件密集，盡量選擇四層及以上的PCB板。在多層板設計中可專門設置電源層和接地層，縮短信號線與地線的距離，這樣就能大幅度減小所有信號的回路面積，從電磁兼容角度考慮，多層板可有效減少輻射，并提高PCB板抗外界干擾能力。

1.2 單面板設計

單面PCB板工作頻率通常為只有幾百千赫茲的低頻，低頻限制主要是因為許多高頻電路的設計條件被限制，例如缺乏完整閉合所需要的射頻電流回路和控制條件，線條集膚效應明顯等，磁場和環路天線的問題無法避免。因此單面PCB板對外界射頻干擾極為敏感，例如靜電、快脈沖、輻射或傳導射頻等。在單面PCB板設計中通常不對信號完整性和終端匹配進行考慮，可從電源和接地線設計開始，然后設計高風險信號，并緊靠接地線，物理原則上越近越好，最后再進行其余線條的設計。具體設計措施如下：

（1）電源和接地線確定沿著最關鍵電路信號網絡中的電源盒接地點；

（2）將線路劃分為功能子段布線，并著重考慮到敏感元器件和相關I/O端口和連接器的設計要求；

（3）最關鍵信號網絡的所有元器件需鄰近放置；

（4）若PCB板需要多個接地點，要確定接地點相互連接在一起，并對連接方式進行設計；

（5）布設其余線條時，若線條承載RF頻段的能力較多，則需采取通量最小化的設計方式，并確保RF回流路徑始終暢通。

1.3 雙面板與多層板設計

（1）關鍵電源平面需鄰近對應的地平面，形成耦合電容，與PCB板退耦電容配合可共同降低電源平面阻抗，同時可獲得良好的濾波效果；

（2）鄰近層關鍵信號禁止跨越分割區，避免信號環路增大，從而減少強輻射，降低干擾敏感度；

（3）時鐘、高頻、高速這些關鍵信號需設計一個相鄰的地平面，例如與地線層相鄰的信號層可作為信號走線的優選層，從而減少信號環路面積，屏蔽輻射；

（4）電源平面需小于地平面，通常遵循20H原則向內縮進。

2 PCB板元器件布局

元器件布局首先應考慮到電路系統的機械結構，將所有定位嚴格的元器件放置好并進行定位鎖定，若器件質量較大則不能直接在PCB板上安裝，需在機殼上另設支架。考慮到電磁兼容性，元器件布局需遵循以下設計原則：

（1）發熱元件需設置在偏上方或邊緣部位，與關鍵集成電路保持距離，便于散熱；

（2）連接器和引腳需根據元件在PCB板上的位置確定穩固，最好在PCB板的同一側安放，兩側避免引出電纜，減少共模電流輻射；

（3）對外界干擾敏感性高的元件需進行隔離設置；

（4）高頻狀態下，電阻、電容、引線和接插件的分布電容與電感會對PCB板造成很大影響，因此頻率>10Mhz或上升時間<2ns的高速器件走線要盡可能短；

（5）連接器需緊靠I/O驅動器，避免長距離走線耦合不必要的干擾信號；

（6）集成電路退耦電容引線需盡量短，并盡量緊靠IC電源引腳，可使用表貼封裝電容。

3 PCB板電磁兼容布線設計

PCB板布線應先從時鐘和感應信號線路入手，然后再加裝高速信號線路，最后完成非必要性布線。在布線設計時需注意以下幾點：

（1）將減少輻射影響作為布線設計的基準，選擇多層板，在內層設計電源和底線，這樣可減少對供電設備的影響和阻抗產生的噪音，且信號線路能與地板連接，提高信號線路與地面的分散電容，對PCB板的空間輻射能力進行控制；

（2）要降低高頻信號對外部的融合，可采用布線折線的方法，折線無需90°，但PCB板盡可能采用45°；

（3）時鐘、模擬電壓輸入線以及參考的電壓段需與數字電路信號線保持一定距離。

（4）為了減少高頻信號經過印制導線時產生大量電磁輻射，必須進行抗干擾保護環布線設計，具體如圖1所示。

4 結束語

合理分層、布局和布線是PCB板電磁兼容設計中需要著重考慮的問題，本文對PCB板電磁兼容設計的幾種方法進行了分析，并提出了控制自身空間輻射、減少干擾影響的簡要措施。隨著PCB板制造工藝和電磁兼容學的逐步發展，在未來的設計中還需考慮到反射噪聲、退耦電容等方面引起的干擾，在實踐工作中不斷摸索，解決電磁干擾問題。

參考文獻

[1]謝奕釗.關于印制電路板的電磁兼容設計分析[J].電子測試，2016（14）：18-19.

[2]吳瑋瑋.印制電路板設計[J].電子制作，2015（08）：17-17.

[3]邵曉燕.印制電路板（PCB）設計中的干擾因素解析[J].科技與企業，2016（05）：219-219.

作者單位

遼寧有線電視網絡傳輸有限公司 遼寧省沈陽市 110016