PCB的電磁兼容設計(修改版)課件

第五章PCB的電磁兼容設計

一、PCB概述二．電路板設計的一般規(guī)律三、單面板、雙面板、多層板的設計四、關于電路設計的一些有益建議五、印制電路（PCB）設計的相關問題及解決方法一、PCB概述1、PCB的演變早于1903年Mr.AlbertHanson首創(chuàng)利用“線路”(Circuit)觀念應用于電話交換機系統(tǒng),它是用金屬箔予以切割成線路導體將之黏著于石蠟紙上上面同樣貼上一層石蠟紙成了現(xiàn)今PCB的機構雛型；1936年DrPaulEisner真正發(fā)明了PCB的制作技術,也發(fā)表多項專利,而今日之print-etch(photoimagetransfer)的技術就是沿襲其發(fā)明而來的。2、PCB分類表3、PCB的種類A.以材質分a.有機材質：酚醛樹脂玻璃纖維/環(huán)氧樹脂PolyamideBT/Epoxy等b.無機材質：鋁,CopperInver-copperceramic等,主要取其散熱功能高頻基板材料的基本特性

介電常數(shù)(Dk)必須小而且很穩(wěn)定，通常是越小越好信號的傳送速率與材料介電常數(shù)的平方根成反比，高介電常數(shù)容易造成信號傳輸延遲。

介質損耗(Df)必須小，這主要影響到信號傳送的品質，介質損耗越小使信號損耗也越小。高頻基板材料的基本特性

與銅箔的熱膨脹系數(shù)盡量一致，因為不一致會在冷熱變化中造成銅箔分離。

吸水性要低、吸水性高就會在受潮時影響介電常數(shù)與介質損耗。

其它耐熱性、抗化學性、沖擊強度、剝離強度等亦必須良好。B、以成品軟硬區(qū)分a.硬板（RigidPCB）b.軟板（FlexiblePCB）c.軟硬板（Rigid-FlexPCB）C、以結構區(qū)分a.單面板:(早期的電路才使用)

單面板的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，所以我們就稱這種PCB叫作單面板（Single-sided）。C、以結構區(qū)分b.雙面板:（更適合用在比單面板更復雜的電路）雙面板的兩面都有布線。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（via）。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（可以繞到另一面）。C、以結構區(qū)分c.多層板：多層板使用數(shù)片雙面板，并在每層板間放進一層絕緣層后黏牢（壓合）。

在多層板PCB中，整層都直接連接上地線與電源。所以我們將各層分類為信號層（Signal）、電源層（Power）、地線層（Ground）。如果PCB上的零件需要不同的電源供應，通常這類PCB會有兩層以上的電源與地平面層。埋孔（Buriedvias）和盲孔（Blindvias）通常也會在多層板中得到應用。D、依用途分a.通信b.耗用性電子c.軍用d.計算機e.半導體f.電測板。4、PCB工藝技術發(fā)展的三個階段從1903年至今，若以PCB組裝技術的應用和發(fā)展角度來看,可分為三個階段：①通孔插裝技術(THT)階段PCB②表面安裝技術（SMT）階段PCB③芯片級封裝(CSP)階段PCB二．電路板設計的一般規(guī)律在印制電路板布線時應先確定元器件在板上的位置，然后布置地線、電源線，再安排高速信號線，最后再考慮低速信號線。元器件的位置應按電源電壓、數(shù)字及模擬電路、速度高低、電流大小等進行分組，以免相互干擾。根據(jù)元器件的位置可以確定印制電路板上連接器各個引腳的安排。所有連接器應安排在印制電路板的一側，盡量避免從兩側引出電纜，減小共模輻射。1、電路板的布局原則電路板的布局原則包括：①數(shù)字電路和模擬電路要分開布局，尤其是與低電平模擬電路要盡可能遠地分開，以避免產(chǎn)生公共阻抗問題；②對高速、中速和低速電路要分開布局，使其分別使用各自的區(qū)域。電路板的布局實例：2、電路板的布線（1）電源線、地線噪聲產(chǎn)生原因：電源線上的電流ICC：在輸出狀態(tài)不同時，幅值是不同的。輸出穩(wěn)定時，電流也是穩(wěn)定的。當輸出從低變?yōu)楦邥r，由于瞬間短路，電流增加，同時需要給電路中的寄生電容充電，電流更大。當輸出從高變?yōu)榈蜁r，由于瞬間短路，電流增加，但不需要給電路中的寄生電容充電，因此電流較輸出從低變?yōu)楦邥r為小。電源線上的電壓VCC：當電流ICC發(fā)生突變時，由于電源線的電感L，會有感應電壓Ldi/dt產(chǎn)生。2、電路板的一般布線規(guī)律（1）電源線、地線噪聲產(chǎn)生原因：地線上的電流Ig：地線上的電流是電源線上的電流與電路中寄生電容放電電流之和。在輸出穩(wěn)定時，電流也是穩(wěn)定的。當輸出從低變?yōu)楦邥r，由于瞬間短路，電流增加。當輸出從高變?yōu)榈蜁r，由于瞬間短路，電流增加，同時由于電路中的寄生電容放電，因此電流峰值較輸出從低變?yōu)楦邥r更大。地線上的電壓Vg：當電流Ig發(fā)生突變時，由于地線的電感L，會有感應電壓Ldi/dt產(chǎn)生。電源線、地線噪聲產(chǎn)生原因及電壓波形輸出ICCVCCIgVg2、電路板的一般布線規(guī)律（2）地線布線規(guī)律

在進行電路板布線時，應首先將地線網(wǎng)格布好，然后再進行信號線和電源線的布線。當進行雙面板布線時，如果過孔的阻抗可以忽略，那么可以在電路板的一個面走橫線，另一個面走豎線。注意：一個低阻抗的地線網(wǎng)格是很重要的，但最終地線網(wǎng)格還是要與主參考地結構連接起來，這種連接可以是間接的(通過電容器)，也可以是直接的。地線網(wǎng)格

在進行電路板布線時，應首先將地線網(wǎng)格布好，然后再進行信號線和電源線的布線。

地線網(wǎng)格特別適用于數(shù)字電路，但它并不適合于小信號模擬電路，因為這時要避免公共阻抗的耦合。在這種情況下，應該強調不同區(qū)域(對應于不同性質的電路，見圖18.1)使用各自的地線和電源線，這些地線不能簡單地串聯(lián)起來，而應當分別處理，最后再匯集到一點。還有一種地線方式是必須避免的，這就是梳狀地線。要特別避免將這種結構用于高速數(shù)字電路，因為這種地線結構使信號回流電流的環(huán)路很大，會增加輻射和敏感度。并且芯片之間的公共阻抗也可能造成電路的誤動作。實際上只要在梳齒之間加上橫線，就很容易將梳齒地線結構變成地線網(wǎng)格，如圖18.2所示。

電路板上的高頻去耦電容對減小電流峰值在公共阻抗上的壓降有很大好處。此外，在地線布局時應盡量考慮加粗地線，最好使線寬達到2～3mm以上。要讓地線通過電流的能力達到印制電路板布線允許值的3倍以上。（3）電源線布線規(guī)律

根據(jù)通過電流的大小盡量放寬電源線布線的寬度。

電源和地線走向要一致，走線要盡量靠近，最好的辦法是電源線走電路板的一面，而地線走另一面的重合部分，這將導致電源阻抗最低；同時還有利于減小差模發(fā)射的環(huán)路面積，從而減小電路之間的相互干擾。

除了上面已經(jīng)提到的一些措施外，在印制電路板設計中有一條不成文的設計原則，即對電源和地線應保留盡可能多的銅，這將有利于減小電源和地部分的阻抗，以及減小電路的對外輻射和敏感度。此外，在印制電路板的電源線入口對地處應布置10～100μF或更大的去耦電容。（4）電路板的一般布線原則功率線、交流線應盡量與信號線布置在不同的印制電路板上，否則應和信號線分開走線。特別注意高頻電路的電源和地線的分配問題。對模擬電路要敷設專門的地線。模擬地和數(shù)字地可以在模數(shù)轉換器的部位單點連接。為減小長距離平行走線的串擾，必要時可增加印制線條間的距離，或在走線之間有意識地安插一條地線(或電源線)作為線間的隔離。

要注意電流流通過程的導線環(huán)路面積，因為載流回路對外的輻射與通過電流、環(huán)路面積、信號頻率等的乘積成正比。減小環(huán)路面積(特別是減小時鐘電路的面積，因為這是整個電路中頻率最高的部分)就是減小電路板對外的輻射。同樣，減小環(huán)路面積對敏感電路來說，也就減少了接受外界感應的機會。

要在印制電路板插頭上多安排一些彼此分散的地線輸入腳

(最好的做法是：一根地線和一根信號線的相互間隔；次好的做法是：在一根地線旁邊配兩根信號線，如信號—地—信號—信號—地—信號—信號—地—信號……的格局)，這有助于減小印制電路板插腳配線的環(huán)路面積及均衡電路板上的地線電流以減小地線的阻抗。如有可能，要盡量減小導線的長度，增加導線的寬度，這有利于減小導線的阻抗。印制電路板上的布線寬度不要突變，導線不要突然拐角，盡可能地保持線路阻抗的連續(xù)，防止因線路阻抗突變造成波形傳輸過程中的反射與畸變。此外，導線也不要走直角或尖角，防止場的分布過于集中。雙面板的正、反兩面的線最好能垂直布置，這樣有利于防止相互干擾。發(fā)熱的器件(如大功率電阻等)應避開易受溫度影響的器件(如電解電容等)布局。（5）電路板布線中應說明的其他問題

①輸入/偷出的地線處理：為了減小電纜上的共模輻射，需要對電纜采取濾波和屏蔽措施。但不論濾波還是屏蔽，都需要一個沒有受到內部騷擾污染的干凈地。當?shù)鼐€不干凈時，對高頻的濾波幾乎沒有作用。除非在布線時就考慮這個問題，一般這種干凈地是不存在的。

干凈地既可以是印制電路板上的一個區(qū)域，也可以是一塊金屬板。所有輸入-偷出線的濾波和屏蔽必須連到干凈地上，如圖所示：干凈地與內部的地線只能在一點相連，這樣可以避免內部信號電流流過干凈地，造成污染。②輸入/輸出線的緩沖：需要與數(shù)字電路相連的接口應使用緩沖器，以避免直接連到數(shù)字電路的地線上。比較理想的接口是光電隔離器，這當然會增加一點成本。當不能提供隔離時，可以使用以輸入/輸出地為參考點的緩沖芯片，或者使用電阻或扼流圈緩沖，并在電路板接口處使用電容濾波。③電路板與機殼的連接：從提高設備工作可靠性的角度出發(fā)，經(jīng)常要把電路板的地線連至機殼上。當電路地與機殼需要直流隔離時，可使用一個10～100nF的射頻電容器連接。絕對禁止在電路板上有兩個以上的點與機殼相連。這對于靜電防護特別重要，否則有可能使高頻靜電放電電流通過印制電路板，從而影響電路板上器件的工作。④電路板設計中的側重點：

由于對所有信號線都實現(xiàn)最佳布線是不可能的，因此在設計時應首先考慮最重要的部分。從電磁騷擾發(fā)射的角度考慮，最重要的信號是高電流變化率(di/dt)信號，如時鐘線、數(shù)據(jù)線、大功率方波振蕩器等。從敏感度的角度考慮，最重要的信號是前、后沿觸發(fā)輸入電路、時鐘系統(tǒng)、小信號模擬放大器等。一旦把這些重要信號分離出來，就可以把設計重點放到這些電路上。三、單面板、雙面板、多層板的設計

1．單面板單面板制造簡單，裝配方便，適用于一般電路的要求，不適用于要求高的組裝密度或復雜電路的場合。如果電路板的布局設計合理，則可以達到電磁兼容的要求。2．雙面板雙面板適用于只要求中等裝配密度的場合。安裝在這類板上的元器件易于維修或更換。使用雙面板比單面板更加有利于實現(xiàn)電磁兼容性設計。

當進行單面板或雙面板(這意味著沒有專門的電源面和地線面)的布線時，最快的辦法是先人工布好地線，然后將關鍵信號(如高速時鐘信號或敏感電路)在靠近它們的地回路旁邊布置，最后對其他電路進行布線。為了使一開始就有一個明確的目標，在電路圖上應給出盡量多的信息，其中包括：·不同功能模塊在電路板上的位置要求?！っ舾衅骷虸/O接口的位置要求。·線路圖上應標明不同的地線，以及對關鍵連線的要求。·標明在哪些地方不同的地線可以連接起來，哪些地方不允許。·哪些信號線必須靠近地線。3、多層板的設計設計高速邏輯電路時，若使用單面板或雙面板不能滿足電磁兼容性要求，則應研究多層板的應用。多層板是由3層以上的分離導電圖形粘接層壓制而成。電源和回路總線是由35μm銅箔板構成。這樣，電源分配系統(tǒng)組成大的平面，具有極低的分布源阻抗。因此，多層板比單面板或雙面板更能避免公共阻抗耦合。多層板的缺點是由于結構復雜，使維修困難，而且價格昂貴，只適用于設計預期變化不大或沒有變化的場合。

右圖中：

板間是通過金屬化孔互連

A層被指定為互連板，含有元器件；

B層被指定為0V和回路基準電位，除了用于連接A層與C層的貫通孔之外，它是一個整體的地平面；

C層被指定為分配層；

D層和第A層一樣被指定為互連板。

0V回路層和分配層形成一個低阻抗的電源分配系統(tǒng)，這歸因于板間的大電容、銅箔的低電感和低電阻。它們還可作為A層和D層輻射騷擾的屏蔽。

從電磁兼容的角度看，地線面的主要作用是減小地線阻抗，從而減少地線騷擾。地線面和電源面的屏蔽作用是很小的，特別是當器件安裝在電路板表面時，它們幾乎沒有屏蔽作用。另外，將地線面和電源面布置在最外層也沒有什么好處，特別是在考慮調試、維修和修改等因素時。

地線面的另一個好處是能使輻射的環(huán)路變得最小，這對于要求電路板有最小的差模輻射及最小的對外界騷擾敏感度都是有力保證(與此類似，在單面板或雙面板的處理中，必須在高頻電路或敏感電路的鄰近處敷設一根地線)。多層板的設計

設計多層印制電路板時首先要決定選用的多層板層數(shù)。其次，疊層結構的設計主要考慮以下因素：–穩(wěn)定、低噪聲、低交流阻抗–傳輸線結構要求–傳輸線特性阻抗要求–串擾噪聲抑制–空間電磁干擾的吸收和屏蔽–結構對稱，防止變形在高速數(shù)字設計中的一般規(guī)則是：–電源層數(shù)+地層數(shù)=信號層數(shù)–電源層和地層盡可能成對設計，并至少有一對是“背靠背”設計–采用帶狀線結構，關鍵信號傳輸應采用對稱帶狀線兩層板POWER和GND網(wǎng)格布線，環(huán)路面積小于1.5平方英寸；POWER和GND成90度布線,不同層；地位于頂層垂直走線,電源位于底層,水平布線；在每一個POWER和GND交接處及每一個IC處,放去耦電容；兩層板使用輻射狀走線四層板多層板能減小輻射信號1電源層地線層信號2低頻高頻DC~0.51101001G110地線面的阻抗，m/平方地線面具有很小的地線阻抗說明1：四層線路板通常將電源和地線放在中間兩層，這樣有以下好處：1便于維護2兩層信號走線之間的串擾小3電源層和地線層之間距離較小，因此阻抗很小，適合于電源噪聲解耦。如果將地線和電源線層放在外邊，將信號線加在中間，從減小輻射的角度可能會有些好處，但是下面的缺點使這種方法很少使用：1無法對走線進行維護、修理2兩個信號層上的走線必須垂直，否則會發(fā)生較嚴重的串擾3不利于使用表面安裝器件4降低了信號線的阻抗，增加了電路負荷說明2：如果線路板上有模擬電路和數(shù)字電路，它們的地線面要分開，但要在同一層地線面上劃分，而不要用兩層分別做地線，因為兩層地線面之間的耦合很嚴重。總之，PCB的分層及疊層是一個比較復雜的事情。有多方面的因素要考慮。但我們應當記住我們要完成的功能，需要那些關鍵因素。這樣才能找到一個符合我們要求的印制板分層及疊層順序。多層板的層間安排隨電路而變，但需掌握以下幾條原則：（1）地平面的主要目的是提供一個低阻抗的地，并且給電源層提供最小的噪聲回流。在實際布線中，兩地層之間的信號層和與地層相鄰的信號層是多層板布線中優(yōu)先考慮的布線層。高速線、時鐘線和總線等重要信號或對干擾敏感的信號，應在這些優(yōu)先信號層上布線和換層。（2）電源平面應靠近接地平面，并且安排在接地平面之下。這樣可以利用兩金屬平板間的電容作為電源的平滑電容，同時接地平面還對電源平面上分布的輻射電流起到屏蔽作用。（3）把數(shù)字電路和模擬電路分開，有條件時，將數(shù)字電路和模擬電路安排在不同的層內。其中，模擬電路的低電平及高電平分別布在地線層和電源層的兩側。（4）如果一定要把數(shù)字電路和模擬電路安排在同一層內，可采用開溝、加接地線條、分隔等方法補救。模擬地、數(shù)字地及電源都要分開，不能混用。數(shù)字信號有很寬的頻譜，是產(chǎn)生騷擾的主要來源。（5）為了抑制大功率器件對微處理器的干擾，以及大功率器件與數(shù)字電路對模擬電路的干擾，除了這些部分應當布置在不同區(qū)域外，在處理這幾部分電源線的相互連接時，特別是與模擬電路的電源連接時，可以用穿了線的鐵氧體磁環(huán)(銅線在磁環(huán)上繞一匝至兩匝)跨接在兩部分電源之間。穿線的鐵氧體磁環(huán)實際上是一個高頻電感，對于低頻模擬信號可以看成零阻抗，然而對高頻信號則體現(xiàn)出較高阻抗，從而阻止了數(shù)字部分對模擬電路的干擾。當然，在模擬電路的電源入口處，如能對地再配合一個高頻去耦電容，則效果會更好。（6）時鐘電路和高頻電路是主要的騷擾和輻射源，一定要單獨安排，遠離敏感電路。（7）印制線條(特別是時鐘線)要盡量短、寬、直和均勻，不要任意換層布線。遇拐角則盡量采用45o過渡，不要用90o。線不要突變，避免阻抗突變產(chǎn)生信號反射。（8）印制電路的線條互相靠近時會產(chǎn)生串擾，為避免這種情況的發(fā)生，線距不要小于線寬的2倍。（9）20-H原則：地線層外緣要大于信號層，若層高為H，當外緣大于10H時，輻射將明顯減小。當外緣大于20H時，輻射要減小70％；外緣達到100H時，輻射要減小98％。線路板邊緣的一些問題關鍵線（時鐘、射頻等）產(chǎn)生較強輻射無地線電源層地線層20H在線路板的邊緣，信號線或電源線上電流會產(chǎn)生更強的輻射。為了避免這種情況的發(fā)生，在線路板的邊緣要注意以下幾點：20H規(guī)則：在線路板的邊緣，地線面比電源層和信號層至少外延出20H，H是線路板上地線面與電源線面或信號線層之間的距離。這條規(guī)則也適合于在線路板上的不同區(qū)域的邊緣場合。3-W法則：當在PCB板上，間距是線寬的2倍時，基本上可以不考慮串擾的影響。（W=線寬）關鍵線：關鍵線（時鐘信號線等）不要太靠近線路板的邊緣，這也包括線路板上不同區(qū)域的邊緣。四、關于電路設計的一些有益建議

（1）只要滿足要求，寧可使用速度較低的電路，不要為了減少芯片而片面地使用高速電路；（2）只要滿足要求，盡量采用系統(tǒng)主頻低的電路；（3）只要可能，寧可用數(shù)字電路，而不用模擬電路；（4）對有用信號來說，模擬信號電平盡量取高的；而數(shù)字信號的脈沖幅度盡量用低的；（5）對于數(shù)字電路來說，采用狀態(tài)觸發(fā)的邏輯比沿邊觸發(fā)更好；（6）閑置不用的門輸入端不要懸空。閑置的與門輸入腳要接正電源；閑置的或門輸入腳要接地。也可將閑置輸人腳與同一集成電路的其他輸入腳并聯(lián)使用；（7）閑置不用的運放的正輸入端要接地，負輸入端接運放的輸出端。（8）如果匹配不成問題，最好使用低電阻和低輸人阻抗的電路，這時盡管功耗和di/dt會有所增加，但低輸入阻抗的電路在外界電磁現(xiàn)象作用下所感應出來的干擾比較小，有利于提高線路的抗干擾能力。（9）對于接口和外圍設備，盡可能采用牢固的雙極電路而少用CMOS電路，因為前者具有較低的輸入阻抗。（10）對數(shù)字電路來說，