基于PCB的電磁兼容的設計-設計應用

精品文檔-下載后可編輯基于PCB的電磁兼容的設計-設計應用1PCB簡介

PCB，中文名稱為印制電路板，又稱印刷電路板、印刷線路板，是重要的電子部件，是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的提供者。由于它是采用電子印刷術制作的，故被稱為“印刷”電路板。

印制電路板的發(fā)明者是奧地利人保羅·愛斯勒，他于1936年在一個收音機裝置內采用了印刷電路板。1943年，美國人將該技術大量使用于軍用收音機內。1948年，美國正式認可這個發(fā)明用于商業(yè)用途。自20世紀50年代中期起，印刷電路版技術才開始被廣泛采用。

在印制電路板出現(xiàn)之前，電子元器件之間的互連都是依靠電線直接連接實現(xiàn)的。而現(xiàn)在，電路面板只是作為有效的實驗工具而存在；印刷電路板在電子工業(yè)中已經(jīng)占據(jù)了統(tǒng)治的地位。

根據(jù)電路層數(shù)分類：分為單面板、雙面板和多層板。常見的多層板一般為4層板或6層板，復雜的多層板可達十幾層。

PCB板有以下三種主要的劃分類型：

單面板

單面板在基本的PCB上，零件集中在其中一面，導線則集中在另一面上。因為導線只出現(xiàn)在其中一面，所以這種PCB叫作單面板。因為單面板在設計線路上有許多嚴格的限制，所以只有早期的電路才使用這類的板子。

雙面板

雙面板這種電路板的兩面都有布線，不過要用上兩面的導線，必須要在兩面間有適當?shù)碾娐愤B接才行。這種電路間的“橋梁”叫做導孔。導孔是在PCB上，充滿或涂上金屬的小洞，它可以與兩面的導線相連接。因為雙面板的面積比單面板大了一倍，而且因為布線可以互相交錯，它更適合用在比單面板更復雜的電路上。

多層板

多層板為了增加可以布線的面積，多層板用上了更多單或雙面的布線板。用一塊雙面作內層、二塊單面作外層或二塊雙面作內層、二塊單面作外層的印刷線路板，通過定位系統(tǒng)及絕緣粘結材料交替在一起且導電圖形按設計要求進行互連的印刷線路板就成為四層、六層印刷電路板了，也稱為多層印刷線路板。板子的層數(shù)就代表了有幾層獨立的布線層，通常層數(shù)都是偶數(shù)，并且包含外側的兩層。大部分的主機板都是4到8層的結構，不過技術上理論可以做到近100層的PCB板。大型的超級計算機大多使用相當多層的主機板，不過因為這類計算機已經(jīng)可以用許多普通計算機的集群代替，超多層板已經(jīng)漸漸不被使用了。因為PCB中的各層都緊密的結合，一般不太容易看出實際數(shù)目，不過如果仔細觀察主機板，還是可以看出來。

根據(jù)軟硬進行分類分為普通電路板和柔性電路板。

PCB是電子設備中電路元件工作的平臺，它提供電路元器件之間的電氣連接，其性能直接關系到電子設備質量的優(yōu)劣。隨著微電子技術的迅速發(fā)展和電路集成度的提高，PCB板上的元器件密度越來越高，系統(tǒng)工作速度越來越快，這使得PCB電磁兼容性設計越來越重要，成為一個電路系統(tǒng)穩(wěn)定正常工作的關鍵。

2PCB中常見的電磁干擾

解決PCB設計中的電磁兼容性問題由主動減小和被動補償兩種途徑，為此必須對電磁干擾的干擾源和傳播途徑進行分析。通常PCB設計中存在的電磁干擾有：傳導干擾、串音干擾以及輻射干擾。

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它電路。例如噪音通過電源電路進入某一系統(tǒng)，所有使用該電源的電路就會受到影響。圖1表示的是噪音通過共模阻抗耦合，電路1與電路2共同使用一根導線獲取電源電壓和接地回路，如果電路1的電壓突然需要升高，那么電路2的電壓必將因為共用電源以及兩回路之間的阻抗而降低。

圖1

2.2串音干擾

串音干擾是一個信號線路干擾另一鄰近的信號路徑。它通常發(fā)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。例如，PCB上某一帶狀線上載有低電平信號，當平行布線長度超過10cm時，就會產(chǎn)生串音干擾。由于串音可以由電場通過互容、磁場通過互感引起，所以考慮PCB帶狀線上的串音問題時，主要的問題是確定電場、磁場耦合哪個是主要的因素。

2.3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。當電磁波輻射到傳輸線上時，將出現(xiàn)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和差模分量。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。

3PCB的電磁兼容設計

隨著PCB板的電子元器件和線路的密集度不斷增加，為了提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，必須采取相應的措施，使PCB板的設計滿足電磁兼容要求，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。

3.1PCB板的選取

在PCB板設計中，相近傳輸線上的信號之間由于電磁場的相互耦合而發(fā)生串擾，因此在進行PCB的電磁兼容設計時，首先考慮PCB的尺寸，PCB尺寸過大，印制線過長，阻抗必然增加，抗噪聲能力下降，成本也會增加；PCB尺寸過小，鄰近傳輸線之間容易發(fā)生串擾，而且散熱性能不好。

根據(jù)電源、地的種類、信號線的密集程度、信號頻率、特殊布線要求的信號數(shù)量、周邊要素、成本價格等方面的綜合因素來確定PCB板的層數(shù)。要滿足EMC的嚴格指標并且考慮制造成本，適當增加地平面是PCB的EMC設計的方法之一。對電源層而言，一般通過內電層分割能滿足多種電源的需要，但若需要多種電源供電，且互相交錯，則必須考慮采用兩層或兩層以上的電源平面。對信號層而言，除了考慮信號線的走線密集度外，從EMC的角度，還需要考慮關鍵信號的屏蔽或隔離，以此確定是否增加相應層數(shù)。

3.2PCB板的布局設計

PCB的布局通常應遵循以下原則：

（1）盡量縮短高頻元器件之間的連線，減少他們的分布參數(shù)和相互之間的電磁干擾。容易受干擾的元件不能靠得太近，輸入輸出應盡量遠離。

（2）某些元器件或導線之間可能有較高的電壓，應加大他們之間的距離，以免放電引出意外短路。

（3）發(fā)熱量大的器件應為散熱片留出空間，甚至應將其裝在整機的底版上，以利于散熱。熱敏元件應遠離發(fā)熱元件。

（4）按照電路的流程安排各功能單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。

（5）以每個功能模塊的元件為中心，圍繞它進行布局，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接長度。

（6）綜合考慮各元件之間的分布參數(shù)。盡可能使元器件平行排列，這樣不僅有利于增強抗干擾能力，而且外觀美觀，易于批量生產(chǎn)。

3.3元器件的布局設計

相比于分立元件，集成電路元器件具有密封性好、焊點少、失效率低的優(yōu)點，應優(yōu)先選用。同時，選用信號斜率較慢的器件，可降低信號所產(chǎn)生的高頻成分，充分使用貼片元器件能縮短連線長度，降低阻抗，提高電磁兼容性。

元器件布置時，首先按一定的方式分組，同組的放在一起，不相容的器件要分開布置，以保證各元器件在空間上不相互干擾。另外，重量較大的元器件應采用支架固定。

3.4PCB板的布線設計

PCB布線設計總的原則是先時鐘、敏感信號線，再布高速信號線，不重要信號線。布線時，在總的原則前提下，還需考慮以下細節(jié)：

（1）在多層板布線中，相鄰層之間采用“井”字形網(wǎng)狀結構；

（2）減少導線彎折，避免導線寬度突變，為防止特性阻抗變化，信號線拐角處應設計成弧形或用45度折線連接；

（3）PCB板的外層導線或元器件離印制板邊緣距離不小于2mm，不但可防止特性阻抗變化，還有利于PCB裝夾；

（4）對于必須鋪設大面積銅箔的器件，應該用柵格狀，并且通過過孔與地層相連；

（5）短而細的導線能有效抑制干擾，但太小的線寬會增加導線電阻，導線的寬度可視通過導線的電流而定，一般而言，對于厚度為0.05mm，寬度為1mm銅箔允許的電流負荷為1A。對于小功率數(shù)字集成電路，選用0.2-0.5mm線寬即可。在同一PCB中，地線、電源線寬應大于信號線；

3.5PCB板的電源線設計

（1）根據(jù)印制板PCB電流的大小，盡量加粗電源線和地線的寬度，減少環(huán)路電阻，同時，使電源線地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞方向一致，有助于增強抗噪聲能力。

（2）盡量選用貼片元件，縮短引腳長度，減少去耦電容供電回路面積，減少元件分布電感的影響。

（3）在電源變壓器前端加電源濾波器，抑制共模噪聲和差模噪聲，隔離外部和內部脈沖噪聲的干擾。

（4）印制電路板的供電線路應加上濾波電容和去耦電容。在板的電源引入端加上較大容量的電解電容做低頻濾波，再并聯(lián)一個容量較小的瓷片電容做高頻濾波。

（5）不要把模擬電源和數(shù)字電源重疊放置，以免產(chǎn)生耦合電容，造成相互干擾。

3.6PCB板的地線設計

（1）為了減少地環(huán)路干擾，必須想辦法消除環(huán)路電流的形成，具體可采用隔離變壓器，光耦隔離等切斷地環(huán)路電流的形成或采用平衡電路消除環(huán)路電流等。

（2）為了消除公共阻抗的耦合，應減小公共地線部分的阻抗，加粗導線或對地線鋪銅；另一方面可通過適當?shù)慕拥胤绞奖苊庀嗷ジ蓴_，如并聯(lián)單點接地，串聯(lián)混合單點接地，徹底消除公共阻抗。

（3）為消除數(shù)字器件對模擬器件的干擾，數(shù)字地和模擬地應分開，并單獨設置模擬地和數(shù)字地。高頻電路多采用串聯(lián)接地方式，地線要短而且粗，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積鋪銅加以屏蔽。

3.7PCB板的晶振電路的布局

晶振電路的頻率較高，這使它成為系統(tǒng)中的重要干擾源。關于晶振電路的布局，有以下注意事項：

（1）晶振電路盡量靠近集成塊，所有連接晶振輸入/輸出端的印制線盡量短，以減少噪聲干擾及分布電容對晶振的影響。

（2）晶振電容地線應使用盡量寬而短的印制線連接至器件上；離晶振近的數(shù)字地引腳，應盡量減少過孔。

（3）晶振外殼接地。

3.8PCB板的靜電防護設計

靜電放電的特點是高電位、低電荷、大電流和短時間，對PCB設計的靜電防護問題可從以下幾方面進行考慮：

（1）盡量選擇抗靜電等級高的元器件，抗靜電能力差的敏感元件應遠離靜電放電源。試驗證明，每千伏靜電電壓的擊穿距離約1mm，因此若將元器件同靜電放電源保持16mm距離，即可抵抗約16KV的靜電電壓；

（2）保證信號回流具有短通路，有選擇性的加入濾波電容和去耦電容，提高信號線的靜電放電免疫能力；

（3）采用保護器件如電壓瞬態(tài)抑制二極管，對電路進行保護設計；

（4）相關人員在接觸PCB時務必帶上靜電手環(huán)，避免人體電荷移動而導致靜電積累損傷。

4結語

PCB電磁兼容設計在于減少對外電磁輻射和提高抗電磁干擾的能力，合理的布局和布線

是設計的關鍵所在。本文