印制電路板的設計及電磁兼容問題

李文龍 孫偉峰

摘 要：隨著電子技術的普及和集成電路技術的發(fā)展，在印制電路板中，電子設備之間的電磁干擾問題成為影響印制電路板高效工作的重要問題。因此在設計印制電路板時，要充分考慮到電磁干擾問題。本文就電磁兼容在印制電路板中的重要性及實施辦法展開討論，介紹在設計印制電路板時應該注意的電磁兼容問題。

關鍵詞： 印制電路板；電磁干擾；電磁兼容

印制電路板是電子元器件電氣連接的提供者，也是電子設備中最重要的組成部分。任何電子產(chǎn)品，從日常生活中的電子表、收音機、手機到軍事中航母、火箭等形形色色的產(chǎn)品都離不開印制電路板。早期的電路都是通過一根根的導線進行連接的，每設計一個電子產(chǎn)品，就需要耗費很多導線，使得電路器件體積龐大而且線路復雜。隨著電子技術的不斷發(fā)展，印制電路板的出現(xiàn)使得一些線路可以集成在一個板子上，這樣可以節(jié)省大量的空間和資源。

電磁兼容是一門新興的綜合性學科，是隨著無線電廣播、通信技術的發(fā)展而逐步成長起來的。實際上，隨著電子技術的普及和集成電路技術的發(fā)展，各種電磁干擾問題紛紛出現(xiàn)，由于電磁干擾造成的經(jīng)濟損失也在增加。因此，電磁兼容越來越重要，它已經(jīng)不僅僅局限于無線通信，還與電子電路，電網(wǎng)設備息息相關。

1 原理圖的設計

在設計一個電路板時，首先要進行的是原理圖的設計。為了實現(xiàn)某一個功能，將一些器件通過一定的邏輯關系來連接起來。設計原理圖一般使用Altium Designer軟件進行操作，所用器件均可以原理圖庫中進行篩選，若原理圖庫中沒有所要選擇的器件，可以自行繪制。繪制好原理圖之后需要進行自動檢測，檢查繪制過程中是否有明顯的錯誤。在原理圖繪制完成后，可以進行印制電路板的設計。Altium Designer可以由原理圖生成PCB圖，也可以自動布線，但自動布線的結果總是差強人意，需要人手工進行布局和布線。而在設計印制電路板時，電磁兼容問題成為一個考慮的重要技術要求。合理的布置印制電路板中元器件和線路的布局，能夠有效的減少電磁干擾問題。

2 PCB中的電磁干擾

PCB干擾主要分為兩種。一種來自PCB內(nèi)部，它主要是因為受鄰近電路之間的寄生耦合及內(nèi)部組件的場耦合的影響，信號沿著傳輸路徑有串擾。例如PCB上的電容器，特別是那些在高頻場合下使用的電容器。我們可以把它看作一個LCR電路，因為電容實際在電路中工作時，一般都會產(chǎn)生等效電感和阻抗，電容都有自諧振頻率，在自諧振頻率下，電容器呈現(xiàn)容性。在高于自諧振頻率時，電容呈現(xiàn)感性，阻抗隨著頻率的增高而增大。其中諧振頻率為：

ω=1/LC（1）

所以在選擇電容時，應該選擇其等效電感和電阻比較小的。

串擾的問題也是應該引起重視的，串擾就是能量從一根線耦合到另一根線上。由法拉第電磁感應現(xiàn)象可知，當一根導線通過電流時，在導線的周圍便會產(chǎn)生磁場。不同導線的磁場相互作用就會產(chǎn)生串擾。互感是產(chǎn)生串擾的機制之一，它的大小和導線中的電流成正比關系。由互感產(chǎn)生的噪聲公式為：

V=Ldl[]dt（2）

互容是產(chǎn)生串擾的另外一個機制，它就是兩個電極通過電場耦合而產(chǎn)生的。互容C會對導線產(chǎn)生一個感應電流：

I=CdV[]dt（3）

另一種電磁干擾來自PCB的外部，它又分為輻射干擾和敏感元兩種問題。輻射主要來于時鐘和其他周期信號的諧波源，還有一些電子設備或者儀器中由于有電壓和電源的跳變，產(chǎn)生二次諧波。解決的方法是將周期信號限制在一個盡量小的區(qū)域內(nèi)并阻隔與外界寄生耦合的途徑，必要的時候可以采用濾波器進行濾波；外部敏感主要是無線頻率干擾和靜電放電等，解決這一問題可以使用屏蔽、良好接地及濾波的方法。

3 設計印制電路板時的抗干擾方法

1）PCB板材料的選擇。

印制電路板有單面、雙面和多層板之分。最常用環(huán)氧樹脂玻璃布作為基板，這種材料具有以下幾個優(yōu)點：膨脹性好，有利于減小環(huán)路面積，減小差模干擾，吸水性低，耐熱，抗化學腐蝕，抗沖擊性能好。

2）PCB的布線。

布線時要遵循通量最小原理，通量最小原理是指傳輸線和返回路徑產(chǎn)生的磁力線相互抵消，實現(xiàn)電通量對消。單面板無地平面，其走線要點是減小電源回路與信號回路的回路面積。使用接地保護走線。拉出地線緊貼電源線或信號線一起走線，減小環(huán)路面積。高速信號走線時應為直線或鈍角，不應該出現(xiàn)銳角和直角。

3）PCB的布局。

一般情況下，PCB設計軟件都有自動布局的功能，但是這個功能并不能滿足實際工作的需要，因此需要設計者熟悉布局的規(guī)則。布局時應該將數(shù)字電路部分和模擬電路部分分開，中間留有一部分空間隔開。布局時應根據(jù)速率高、中、低速、I/O電路分區(qū)，以減少高速電路對其它部分的干擾。如圖所示。

4 結語

印制電路板的設計是一個復雜的過程，設計時需要考慮的因素很多，稍不注意就會對電路板的性能產(chǎn)生很大的影響。而在設計過程中，如果沒有充分考慮到電磁兼容問題，那么設計出來的電路板很可能無法正常投入使用。所以在設計時應該充分的考慮到走線、布局、接地、屏蔽等問題，防止信號之間發(fā)生串擾。

參考文獻：

[1]顧海洲，馬雙武. PCB電磁兼容技術—設計實踐.清華大學出版社，2004年6月.

[2]梁振光.電磁兼容原理、技術及應用.機械工業(yè)出版社，2007年.

[3]俞海珍，馮浩.電磁兼容技術及其在PCB設計中的應用[J].計算機工程與科學，2014年第26卷第4期：8082.

[4]梁玉杰.工業(yè)環(huán)境中電源電磁兼容設計研究.上海交通大學碩士學位論文，2008年6月.

[5]朱凌.PCB的設計流程[J].科技風，2012年第1期：113.

[6]彭亮，黃崢嶸，黃明暉，杜迎.印制電路板電磁兼容設計淺析[J].電子與封裝，2013第13卷第6期.

作者簡介：李文龍（1995），男，本科，研究方向：測控技術與儀器；孫偉峰（1995）， 男，本科，研究方向：測控技術與儀器。