PCB的電磁兼容設(shè)計(jì)和布局

劉嬋媛　程虎成　饒啟超

摘要：PCB的電磁兼容設(shè)計(jì)是否合理是改善整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。文章中介紹的電路隔離、接口抑制、參考面設(shè)置等實(shí)用技術(shù)，能夠有效地改善信號(hào)的完整性，改善產(chǎn)品的EMC性能。

關(guān)鍵詞：PCB;電磁兼容;電路隔離

中圖分類號(hào)：TN41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-6487（2019）03-0033-02

0引言

伴隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，各類電子設(shè)備向著小型化、智能化和高集成的方向發(fā)展，電路設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，產(chǎn)品對(duì)干擾的敏感度所造成的問題越來越多，由此帶來的EMC問題也越來越嚴(yán)重。當(dāng)前各類電力設(shè)備的載體都是印制電路板（PCB），在PCB一級(jí)解決EMC問題將比在更高層次上解決所需要的花費(fèi)更少，而且能夠有效縮短產(chǎn)品的上市周期。先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在一開始就要求將EMC作為設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，最好能對(duì)設(shè)備的電磁兼容性進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，并針對(duì)問題采取措施實(shí)現(xiàn)電磁兼容。文中將介紹一些涉及到EMC的基本PCB設(shè)計(jì)技術(shù)，為PCB的電磁兼容設(shè)計(jì)和布局提供實(shí)用性幫助。

電磁干擾源、干擾信號(hào)耦合通道和干擾接收器（敏感設(shè)備）是形成干擾的三個(gè)要素，上述的三個(gè)基本要素都具備的時(shí)候才會(huì)發(fā)生電磁干擾，只要能夠去除其中的一個(gè)，就可以去除電磁干擾。

1PCB電路板的尺寸和層數(shù)

電路板的層數(shù)和尺寸要根據(jù)電路原理、元器件的尺寸和相互間的影響決定，如果尺寸太大，布線長(zhǎng)度就長(zhǎng)，線的阻抗增加，抗干擾能力弱”。而尺寸太小，元器件過于密集，不僅不利于散熱，而且不同線路和元器件之間容易產(chǎn)生相互干擾。

印制電路板的層數(shù)由單層板向多層板的進(jìn)步，不僅解決了元器件的布線分布問題，同時(shí)還是達(dá)到電容兼容標(biāo)準(zhǔn)的主要措施。

雙層板由于雙面均有地線、電源線、互連線和元器件，容易互相干擾，所以一般線徑要盡可能的粗而且相互靠近，常規(guī)線寬為通過最大電流能力的3倍以上，供電的環(huán)路面積要盡可能的小而且不會(huì)相互重疊2]。

目前高集成和高速數(shù)字電路一般采用四層或者四層以上的多層板，在多層板設(shè)計(jì)中，會(huì)設(shè)置專門的電源層和地層，甚至?xí)O(shè)置專門的參考平面層，使得信號(hào)線和參考面之間的距離僅為電路板的層間距離，這樣可以最大限度的減少板上信號(hào)的回路面積，減少差模輻射，提高電路板的抗干擾能力。多層板分布方案如表1所示。

2元器件的選型

對(duì)于器件的選型，應(yīng)盡量選用噪聲容限值高的元器件，有利于提高整個(gè)設(shè)備的抗干擾性，在滿足功能的基礎(chǔ)上，應(yīng)該優(yōu)先考慮開關(guān)速度較慢的邏輯器件，在封裝的選擇上，則應(yīng)該盡量選擇無引腳的元器件，相對(duì)于直插類元器件，表面貼裝元器件的電磁干擾要小得多。

3參考面與布線

PCB線條單根導(dǎo)線的電感大約為lnH/mm，一根10mm長(zhǎng)的PCB線條，在100MHz頻率上就有6.3R，在1GHz頻率上該電阻將高達(dá)639，因此，需要一個(gè)完整無缺的金屬導(dǎo)體面積才有可能在高頻率時(shí)提供一個(gè)合適的參考，我們將這種完整的金屬面稱之為參考面。

所有的參考面必須處在所有元器件以及走線的下面，而且還要向外延伸一個(gè)足夠長(zhǎng)的距離，大概需要參考面上部高度的20倍以上。

如引線、插針和通孔這類貫通的存在會(huì)增加參考面的電感，尤其是高頻情況下，該參考面的有效性就會(huì)降低，“掩埋通孔”技術(shù)允許在布線層之間相互連接，而不需要參考面的貫通。如果必須在參考面上通過，經(jīng)驗(yàn)值為，任何間隙的尺寸懷應(yīng)大于所關(guān)心的最高頻率波長(zhǎng)的百分之一。

4電路的隔離

干擾源可以分為內(nèi)部干擾源和外部干擾源，內(nèi)部干擾源包括電路內(nèi)部本身產(chǎn)生的干擾源，外部干擾源包括大氣、雷電等自然干擾和通信、雷達(dá)、其他電氣設(shè)備等發(fā)射的人為干擾。

在正式設(shè)計(jì)的開始，就需要考慮電路隔離技術(shù)，隔離區(qū)域的劃分，是PCB布局設(shè)計(jì)的開端。兩個(gè)最基本的隔離區(qū)域是外部世界和內(nèi)部世界。

要對(duì)外部世界的電磁環(huán)境進(jìn)行完全控制是不現(xiàn)實(shí)的，而對(duì)內(nèi)部世界的電磁環(huán)境可以獲得完全的控制。

4.1外部世界和內(nèi)部世界的邊界

在存在有效罩殼屏蔽的電路中，屏蔽罩殼就成為了外界和內(nèi)部之間的邊界，但對(duì)于一個(gè)未屏蔽產(chǎn)品的界定就相當(dāng)困難了，整個(gè)內(nèi)部區(qū)域要在機(jī)械上和電氣上與外界隔離，而內(nèi)部區(qū)域之間也應(yīng)該在物理上相互隔離。

4.2內(nèi)部世界的劃分

當(dāng)內(nèi)部世界的區(qū)域確定之后，內(nèi)部世界應(yīng)該被規(guī)劃為多個(gè)“內(nèi)部區(qū)域”，進(jìn)一步被隔離成諸如臟的、高速的、噪擾的等“活躍”電路區(qū)域，以及干凈的、敏感的、安靜的等“受害”電路區(qū)域。電路的活躍程度取決于它的最大dv/dt或者di/dt，電路的受害程度則取決于它的信號(hào)電平及噪聲容限，容限越小，敏感度越高[3]。

5元器件放置規(guī)則

在每個(gè)內(nèi)部區(qū)域中，首先要安置的是最為噪擾和最為敏感的元器件，應(yīng)將他們盡可能的安排在該區(qū)域的中心位置，同時(shí)又要盡可能的遠(yuǎn)離電纜和導(dǎo)線。這類元器件包括時(shí)鐘發(fā)生器、微控制器、變壓器、集成總線IC等噪擾元器件和模擬IC、毫伏級(jí)放大器等敏感元器件。

數(shù)字時(shí)鐘發(fā)生器、數(shù)字總線和高速I/0的數(shù)據(jù)傳輸線一定要盡可能的短，為了使它們的走線長(zhǎng)度達(dá)到最短，甚至可能需要通過實(shí)驗(yàn)來最終決定元器件的布局，一定要重視。

其他類型的模擬、數(shù)字和電源信號(hào)也應(yīng)根據(jù)它們的活躍和敏感程度來決定它們的布局和走線，所有的元器件和它的走線都必須保持在為它們所指定的區(qū)域內(nèi)。

直接與其他區(qū)域連接的器件（如A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、濾波器等）要安置在它們所在區(qū)域最邊緣的地方[4）。

6接口抑制

外界和內(nèi)部接口，上的抑制，可以采用屏蔽、濾波器、隔離變壓器、光耦合器、浪涌保護(hù)器件等。

內(nèi)部區(qū)域之間的接口元件，諸如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、變壓器、數(shù)據(jù)總線、濾波器、隔離器和類似元器件要安裝在他們共用的完成互連接的一邊，并完整的保持在其中一個(gè)區(qū)域內(nèi)。

7結(jié)束語

上述PCB設(shè)計(jì)技巧，首先需要確定電路板的尺寸和層數(shù)，然后根據(jù)原理圖選擇合適的元器件型號(hào)和封裝形式，為電路板分割出內(nèi)部世界和外部世界，采用必要的屏蔽濾波措施，進(jìn)而在設(shè)備的內(nèi)部世界劃分內(nèi)部區(qū)域，不同的內(nèi)部區(qū)域內(nèi)分別優(yōu)先布局重點(diǎn)元器件，不同區(qū)域之間的接口需采用接口抑制技術(shù)，且需要設(shè)計(jì)參考平面。單片PCB產(chǎn)品常規(guī)電磁兼容設(shè)計(jì)如圖1所示。

當(dāng)然，文中所涉及的僅僅是一些基本設(shè)計(jì)技術(shù)，針對(duì)更高要求的電路，需要使用更先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)來滿足EMC性能要求，這里所描述的基本設(shè)計(jì)技術(shù)可以滿足一般電路的設(shè)計(jì)要求，可以為一般的電路設(shè)計(jì)人員提供實(shí)用性幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]江思敏.PCB和電磁兼容設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]鄭軍奇.EMC設(shè)計(jì)與測(cè)試案例分析（第2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010

[3]大衛(wèi)A.韋斯頓.電磁兼容原理與應(yīng)用[M].王守三，楊自佑譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[4]王萍.淺談PCB電磁兼容設(shè)計(jì)[J].電子質(zhì)量，2010（10）：73-75.