印刷電路板的電磁兼容設計

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電磁兼容指設備或系統在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中的任何事物構成不能承受的電磁干擾的能力。電磁兼容性設計的目的是使電子設備既能抑制各種外來(lái)的干擾，使電子設備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，又能減少電子設備本身對其它電子設備的電磁干擾。隨著(zhù)電子設備的靈敏度越來(lái)越高，接受微弱信號的能力越來(lái)越強，電子產(chǎn)品頻帶越來(lái)越寬，尺寸越來(lái)越小，要求電子設備抗干擾能力越來(lái)越強。一些電子設備工作時(shí)所產(chǎn)生的電磁波，容易對周?chē)�的其它電子設備形成電磁干擾，引發(fā)故障或者影響信號的傳輸。另外，過(guò)度的電磁干擾會(huì )形成電磁污染，危害人們的身體健康，破壞生態(tài)環(huán)境。文章就PCB（印刷電路板，又叫印刷線(xiàn)路板）設計中電磁兼容的幾種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。
　　1 電源的設計
　　電子設備的電源廣泛地同其它功能單元相連，一方面電源中產(chǎn)生的無(wú)用信號會(huì )很容易地耦合到各功能單元中去，另一方面，一個(gè)單元中的無(wú)用信號可能通過(guò)電源的公共阻抗耦合到其它單元去。因此，在電源設計中應采取以下措施。
　�。�1）根據印刷電路板電流的大小，盡量加粗電源線(xiàn)寬度，減少環(huán)路電阻，使電源線(xiàn)、地線(xiàn)的走向和數據傳遞的方向一致；同時(shí)，在多層PCB中采用電源層和地層，減少電源線(xiàn)到電源層或地層的線(xiàn)長(cháng)。這樣有助于增強抗噪聲能力；
　�。�2）在可能的條件下，使電源單獨為各功能單元供電，使用公共電源的所有電路盡可能彼此靠近，互相兼容；
　�。�3）在交直流干線(xiàn)上使用電源濾波器，以防外部干擾通過(guò)電源進(jìn)入設備，防止開(kāi)關(guān)瞬變和設備內部產(chǎn)生的其它信號進(jìn)入初級電源，有效隔離電源的輸入和輸出線(xiàn)及濾波器的輸入和輸出線(xiàn)；
　�。�4）對電源進(jìn)行有效的電磁場(chǎng)屏蔽，盡可能把高壓電源同敏感電路隔離開(kāi)，特別是開(kāi)關(guān)電源，它會(huì )引起高頻輻射和傳導騷擾，用靜電屏蔽的電源變壓器抑制電源線(xiàn)上的共模干擾，多重屏蔽隔離變壓器有更好的性能；
　�。�5）對所有電路功能狀態(tài)電源都應保持低輸出阻抗，即使在射頻范圍，輸出電容也應呈現低阻抗，同時(shí)保證穩壓器有足夠快的響應時(shí)間，以便抑制高頻紋波和瞬變加載作用；
　�。�6）整流二極管應工作在最低的電流密度上，為穩壓二極管提供足夠的射頻旁路；
　�。�7）電源變壓器應該是對稱(chēng)平衡的，而不應該是功率配平的變壓器，所用鐵芯材料應取其飽和磁感應強度（Bm）的下限值。無(wú)論什么情況下必須保證不使鐵芯驅動(dòng)到飽和狀態(tài)，變壓器鐵芯結構應優(yōu)選D型和C型，E型最次之。
　　2  地線(xiàn)設計
　　地線(xiàn)噪聲，即在系統內各個(gè)部分的地線(xiàn)之間出現電位差或因存在接地阻抗而引起接地噪聲。由于接地系統存在地電位差的問(wèn)題，在設計產(chǎn)品的接地過(guò)程中必須針對PCB的特點(diǎn)選擇相應的接地方法。在電子產(chǎn)品設計中，接地是控制干擾的重要方法，如能將接地和屏蔽正確結合起來(lái)使用，可解決大部分干擾問(wèn)題。電子產(chǎn)品中地線(xiàn)結構大致有系統地、機殼地、數字地和模擬地等。在地線(xiàn)設計中應注意以下幾點(diǎn)：
　�。�1）接地線(xiàn)應盡量加粗。若接地線(xiàn)條很細，則接地電位會(huì )隨電流的變化而起伏，致使電子產(chǎn)品的定時(shí)信號電平不穩，抗噪聲性能降低。因此設計時(shí)應將接地線(xiàn)盡量加粗，使它能通過(guò)三倍于印制電路板的允許電流。如有可能，接地線(xiàn)的寬度應大于3mm.
　�。�2）正確選擇接地方法。單點(diǎn)接地設置目的是為了防止來(lái)自?xún)蓚�(gè)不同的參考電平的子系統中的電流與射頻電流經(jīng)過(guò)同樣的返回路徑而導致共阻抗耦合。這種接地方法用在低頻PCB中比較合適，可以減小分布傳輸阻抗的影響。但在高頻PCB中，返回路徑的電感在高頻下成為線(xiàn)路阻抗的主要部分，因而在高頻PCB中為使接地阻抗最小，通常采用多點(diǎn)接地法。多點(diǎn)接地最重要的是要求接地引線(xiàn)的長(cháng)度最小，因為更長(cháng)的引線(xiàn)意味著(zhù)更大的電感，從而增加地阻抗，引起地電位差�；旌辖拥亟Y構是單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的復合。在PCB中存在高低混合頻率時(shí)常用這種結構，即在低頻處呈現單點(diǎn)接地，而在高頻處則呈現多點(diǎn)接地。
　�。�3）數字地與模擬地分開(kāi)。電路板上既有高速邏輯電路，又有線(xiàn)性電路，應使它們盡量分開(kāi)，兩者的地線(xiàn)不要相混，應分別與電源端地線(xiàn)相連。低頻電路的地線(xiàn)應盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線(xiàn)有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線(xiàn)應短而粗，高頻元件周?chē)�盡量用柵格狀大面積地箔。要盡量加大線(xiàn)性電路的接地面積。
　�。�4）接地線(xiàn)構成閉環(huán)路。設計只由數字電路組成的印制電路板的地線(xiàn)系統時(shí)，將接地線(xiàn)做成閉路可以明顯地提高抗噪聲能力。因為印制電路板上有很多集成電路元件，尤其遇有耗電多的元件時(shí)，因受接地線(xiàn)粗細的限制，會(huì )在地線(xiàn)上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪能力下降，若將接地線(xiàn)構成環(huán)路，則會(huì )縮小電位差值，提高電子設備的抗噪聲能力。
　�。�5）使用光隔離器切斷地環(huán)路干擾。用光連接通常有用光耦合器和用光纖連接。光耦合器的寄生電容一般為2pF,能為高頻提供良好的隔離。光纖連接幾乎沒(méi)有寄生電容，但價(jià)高，安裝、維護不便。
　　3  旁路與去耦設計
　　旁路是從元件或電纜中轉移不想要的共模RF能量，旁路電容的主要功能是產(chǎn)生一個(gè)交流分量，從而消去進(jìn)入易感區的那些不需要的能量，而去耦則是指去除在器件切換時(shí)從高頻器件進(jìn)入配電網(wǎng)絡(luò )中的RF能量，去耦電容的主要作用是提供一個(gè)局部的直流電源給元器件，以減少開(kāi)關(guān)噪聲在板上的傳播，和將噪聲引導到地。
　　3.1電容的選擇
　　選擇旁路和去耦電容，可通過(guò)邏輯系列和所使用的時(shí)鐘速度來(lái)計算所需電容器的自諧振頻率，根據頻率以及電路中的容抗來(lái)選擇電容值。封裝尺度盡量選擇更低引線(xiàn)電感的SMT電容器，而不選擇通孔式電容器。另外，產(chǎn)品設計也常常采用并聯(lián)去耦電容來(lái)提供更大的工作頻帶，減少接地不平衡。并聯(lián)電容系統，當工作頻率高于自諧振頻率時(shí)，大電容表現感性阻抗并隨頻率增大而增加；而小電容則表現為容性阻抗并隨頻率增加而減少，而且此時(shí)整個(gè)電容電路的阻抗比單獨一個(gè)電容時(shí)的阻抗要小。
　　3.2旁路電容配置
　　旁路電容一般作為高頻旁路器件來(lái)減少對電源模塊的瞬態(tài)電源要求，通常鋁電解電容和鉭電容比較適合做旁路電容，其電容值取決于PCB板上的瞬態(tài)電流要求，一般在10~470LF范圍內，若PCB板上有許多集成電路、高速開(kāi)關(guān)電路和具有長(cháng)引線(xiàn)的電源，則應選擇大容量的電容。
　　3.3去耦電容配置
　�。�1）電源輸入端跨接10~100LF的電解電容器。如有可能，接100LF以上的更好；
　�。�2）原則上每個(gè)集成電路芯片都應布置一個(gè)0.01pF的瓷片電容，如遇印制板空隙不夠，可每4~8個(gè)芯片布置一個(gè)1~10pF的鉭電容；
　�。�3）對于抗噪能力弱、關(guān)斷時(shí)電源變化大的器件，如RAM、ROM存儲器件，應在芯片的電源線(xiàn)和地線(xiàn)之間直接接入去耦電容；
　�。�4）電容引線(xiàn)不能太長(cháng)，尤其是高頻旁路電容不能有引線(xiàn)；
　�。�5）在印制板中由于有接觸器、繼電器、按鈕等元件，操作時(shí)均會(huì )產(chǎn)生較大火花放電，必須采用RC電路來(lái)吸收放電電流。一般R取1~2K,C取2.2~47LF;
　�。�6）CMOS的輸入阻抗很高，且易受感應，因此在使用時(shí)對不用端要接地或接正電源。
　　4  混合信號電路板的設計
　　了解電流回流到地的路徑和方式是優(yōu)化混合信號電路板設計的關(guān)鍵。不能僅僅考慮信號電流從哪兒流過(guò)，而忽略了電流的具體路徑。如果必須對地線(xiàn)層進(jìn)行分割，而且必須通過(guò)分割之間的間隙布線(xiàn)，可以先在被分割的地之間進(jìn)行單點(diǎn)連接，形成兩個(gè)地之間的連接橋，然后通過(guò)該連接橋布線(xiàn)。這樣，在每一個(gè)信號線(xiàn)的下方都能夠提供一個(gè)直接的電流回流路徑，從而使形成的環(huán)路面積很小�；旌闲盘朠CB設計過(guò)程要注意以下幾點(diǎn)：
　�。�1）將PCB分區為獨立的模擬部分和數字部分，實(shí)現模擬和數字電源分割，A/D轉換器跨分區放置；
　�。�2）不要對地進(jìn)行分割。在電路板的模擬部分和數字部分下面敷設統一地；
　�。�3）在電路板的所有層中，數字信號只能在電路板的數字部分布線(xiàn)，模擬信號只能在電路板的模擬部分布線(xiàn)；
　�。�4）布線(xiàn)不能跨越分割電源面之間的間隙，必須跨越分割電源之間間隙的信號線(xiàn)要位于緊鄰大面積地的布線(xiàn)層上；
　�。�5）分析返回地電流實(shí)際流過(guò)的路徑和方式；
　�。�6）采用正確的布局、布線(xiàn)規則。
　　總之，隨著(zhù)電子產(chǎn)品復雜化、高速化、密集化，對PCB板的設計要求越來(lái)越高，特別是電磁兼容的設計問(wèn)題越來(lái)越突出，而解決電磁兼容的關(guān)鍵問(wèn)題在于對電源、地、旁路、去耦和混合信號電路等合理的設計。

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