PCB電磁兼容設(shè)計(jì)原則及其實(shí)例分析要點(diǎn)

1、印制電路信息2021 No.6短評(píng)與介紹Short Comment & IntroductionPCB電磁兼容設(shè)計(jì)原那么及其實(shí)例分析王芳(湖南長(zhǎng)城信息產(chǎn)業(yè)股份，湖南長(zhǎng)沙410100摘要電子設(shè)備電磁兼容要求的關(guān)鍵是其印制電路板(PCB的設(shè)計(jì)，正確的PCB板布線可以經(jīng)濟(jì)而有效地降低其電磁干擾。文章綜合PCB板電磁兼容設(shè)計(jì)相關(guān)文獻(xiàn)，按照器件布局、地線與電源處理、時(shí)鐘信號(hào)線處理等對(duì)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和原那么進(jìn)行了 較為系統(tǒng)的分類(lèi)總結(jié)，并結(jié)合假設(shè)干具體的工程實(shí)例進(jìn)行了分析說(shuō)明。關(guān)鍵詞印制電路板；電磁兼容;地線;電磁干擾中圖分類(lèi)號(hào)：TN41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-0096(20216-0028-0

2、4EMC Design Rules and Application of Printed Circuit BoardWANG FangAbstract The printed circuit board (PCB is the key part to meet the electromagnetismcompatibility (EMC requirements for electronic equipment. Their electromagnetism disturb can bereduced by proper layout of PCB.Some important EMC des

3、ign rules are brought forward including components placement, groundplane, power line, clock signal treatments. At last, some factual examples of EMC design rulesmentioned above are shown and analyzed.Key words PCB; electromagnetism compatibility; ground plane; electromagnetism disturb電子產(chǎn)品的電磁干擾及電磁輻射

4、問(wèn)題日益引起人們的關(guān)注。電磁環(huán)境對(duì)人類(lèi)生 存環(huán)境產(chǎn)生影響的同時(shí)，也對(duì)電工、電子產(chǎn)品的平安與可靠性產(chǎn)生影響和危害 ，電磁干擾導(dǎo)致電工、電子產(chǎn)品性能下降、無(wú)法工作甚至產(chǎn)品損壞的情況時(shí)有發(fā)生，因此控制產(chǎn)品的電磁輻射，讓電子設(shè)備的電磁兼容等綜合性能指標(biāo)到達(dá)規(guī)定要求變得非 常重要。1電磁兼容的概念與意義1.1電磁兼容的概念電磁兼容Electro-Magnetic Compatibility, EMC指設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能 一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即該設(shè)備不會(huì)由于受到處在同一電磁環(huán)境中其他設(shè) 備的電磁發(fā)射導(dǎo)致或遭受不允許的降級(jí)，它也不會(huì)使其他設(shè)備因受其電磁發(fā)射而導(dǎo) 致不允許的降級(jí)。1.2電磁兼容的

5、重要性印制電路板PCB是電子產(chǎn)品中元器件的支撐體，并提供電路元器件間的電氣連 接用此PCB設(shè)計(jì)的好壞對(duì)抗干擾能力影響很大?，F(xiàn)代電子產(chǎn)品開(kāi)展趨勢(shì)越來(lái)越小 型化、多功能和高智能化，勢(shì)必導(dǎo)致設(shè)計(jì)與生產(chǎn)越來(lái)越多地采用更小型、高集成 度、高頻的元件，電磁兼容的難度也越來(lái)越大。通過(guò)采用正確的設(shè)計(jì)方案和布線技 術(shù)可以有效降低印制電路板的電磁輻射，提高本身的抗干擾性和電路工作的穩(wěn)定 性。在產(chǎn)品研發(fā)出來(lái)后，發(fā)現(xiàn)不能通過(guò)電磁兼容測(cè)試而添加的諸如加屏蔽罩、磁珠 等措施，往往是事倍功半。因此在一開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)就要結(jié)合電磁兼容思想，最好對(duì)設(shè)備 的電磁兼容性程度進(jìn)行先期分析。CAD/CAM CAD & CAM短評(píng)與介

6、紹Short Comment & Introduction印制電路信息2021 No.6在印制板上采取技術(shù)措施，比在其他方面采取措施更具有可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng) 濟(jì)性2印制電路板電磁兼容設(shè)計(jì)原那么及其實(shí)例分析2.1印制電路板的層數(shù)、尺寸選擇原那么單面板和雙面板一般適用于低、中密度的電路，多層板適用于高密度布線、高 速電路、數(shù)?；旌碗娐?。印制電路板的尺寸選擇應(yīng)根據(jù)原理圖和所使用器件尺寸、 相互間影響決定。最好選擇適中的尺寸。尺寸太長(zhǎng) ，導(dǎo)電線路就長(zhǎng)，阻抗增加,抗噪聲 能力下降。而尺寸太小，器件密集，不利于散熱，而且連線密集，容易產(chǎn)生干擾。2.2器件布局原那么與實(shí)例根據(jù)電路原理的功能單元，對(duì)電

7、路的全部元器件進(jìn)行放置。2.3元器件分區(qū)?？梢园床煌碾娫措妷悍謪^(qū)，或按數(shù)字電路和模擬電路分區(qū)，或按高速和低速電路分區(qū)。讓同種電源、同速度、同頻率的器件放置在一起 ，減小 了不同組器件混放產(chǎn)生的相互間干擾。在印制板上，不同組的器件區(qū)間有一定的分割。如高壓與低壓區(qū)間以變壓器為 分割保持3 mm 5 mm的爬電距離。模擬電路與數(shù)字電路往往分別采用兩種電源 與地面，應(yīng)分別與電源連接器的地線相連，在分割線上采用磁珠或電感跨接。2.4應(yīng)地，元件的位置分區(qū)決定了連接器的分布，引出管腳安排要與元件分割一 致，盡量減少不同信號(hào)環(huán)路、電源環(huán)路的重疊和干擾。(3所有的連接器最好放在電路板的一側(cè)， 防止從兩側(cè)引出。

8、 因?yàn)榇嬖诠材］椛?的情況下，電纜相當(dāng)于一個(gè)很好的共模發(fā)射天線，電纜在兩側(cè)比在同一側(cè)輻射要大得 多。輸入/&出I/O驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該緊靠連接器，I/O信號(hào)從連接器進(jìn)入后，應(yīng)馬上進(jìn)入I/O驅(qū)動(dòng)器。不要在印制板上走較長(zhǎng)距離，以免耦合上干擾信號(hào)。而高速數(shù)字芯片，當(dāng)與 連接器沒(méi)有信號(hào)交換時(shí)，應(yīng)放在遠(yuǎn)離連接器處。高速數(shù)字信號(hào)有可能通過(guò)電場(chǎng)、磁 場(chǎng)耦合，產(chǎn)生干擾，并通過(guò)電纜向外發(fā)射。當(dāng)高速器件的信號(hào)必須連接連接器時(shí) ，那么盡 量靠近相關(guān)連接器,縮短走線長(zhǎng)度，防止對(duì)其他中低速電路的干擾，如圖1。圖1高速器件信號(hào)連接器走線示意圖2.3地線與電源線的設(shè)計(jì)原那么與實(shí)例分析地線設(shè)計(jì)是印制電路板中不可無(wú)視的問(wèn)題，往

9、往也是難度最大的一項(xiàng)設(shè)計(jì)。地線可以定義為信號(hào)流回源的低阻抗路徑，在理論上應(yīng)是零電阻的實(shí)體，各接地點(diǎn)之間 沒(méi)有電位差。實(shí)際上，地線有阻抗、有干擾，電流通過(guò)時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生電壓降，地環(huán)路干 擾電壓在信號(hào)上產(chǎn)生干擾電流，疊加在有用信號(hào)上。這時(shí)的地線設(shè)計(jì)需考慮以下因 素。(1地線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮分成不同的系統(tǒng)地、機(jī)殼地、數(shù)字地、模擬地等。分地目的在于防止共地線阻抗耦合干擾。但并不是完全地隔離，沒(méi)有任何電氣連接。各地線在適當(dāng)?shù)奈恢?，還是要有單點(diǎn)的電氣連接，保持地面的連續(xù)性。(2靠近接口局部的印制板地面要分割出來(lái)，作為專(zhuān)用的EMC地,也稱(chēng)機(jī)殼地。EMC地上必須沒(méi)有數(shù)字信號(hào)回流，與機(jī)殼良好搭接搭接阻抗盡可能地小。

10、可采取多 點(diǎn)搭接方式保證EMC地與機(jī)殼相同電位。 實(shí)際應(yīng)用上， 一般將I/O插座固定焊盤(pán)、板固定孔與EMC地信號(hào)走線連接，安裝時(shí)通過(guò)固定螺釘將機(jī)殼與PCB板良好連 接。EMC地與數(shù)字地保持單點(diǎn)連接。連接器處的每條I/O線都要分別并聯(lián)去耦電容到EMC地，如外表安裝式電容，使去耦電路的電感越小越好。外部干擾如果通過(guò) 接口侵入，那么在EMC地區(qū)域就被去耦電容旁路到了機(jī)殼上，從而保護(hù)了內(nèi)部電路正 常平安工作。同樣，印制板的干擾電流在輸出前也被去耦電容旁路了 ，如圖2。(3雙面板的數(shù)字地通常采用梳狀結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。梳狀結(jié)構(gòu)，其信號(hào)環(huán)路面積 相當(dāng)大，如圖3中A o而網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是在梳狀的根底上，在板正面加上幾

11、CAD/CAMCAD & CAM印制電路信息2021 No.6短評(píng)與介紹Short Comment & Introduction條垂直地線，交叉點(diǎn)打上金屬化過(guò)孔 連通。地線網(wǎng)格提供了大量的平行地線， 能夠有效地減小地線環(huán)路面積， 減小了地線 噪聲， 如圖3中B。敷字池學(xué)點(diǎn)連接圖2 EMC地設(shè)計(jì)示意圖(A (B圖3 A梳狀結(jié)構(gòu)，B網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)去耦電容 7PNfMt -*-TH II w單點(diǎn)逐卷*舄電等單點(diǎn)連接(4電源線與地線要結(jié)合一起考慮。為減少供電用導(dǎo)線對(duì)的特性阻抗，電源線與地線應(yīng)盡可能的粗，并且相互靠近，使供電環(huán)路面積減小到最低程度。電源線與地線在板兩側(cè)重疊走線，形成一對(duì)導(dǎo)線對(duì)，

12、效果比電源線與地線在同側(cè)平行走線好。同一芯片的電源與地管腳，應(yīng)連接到同一導(dǎo)線對(duì)。在實(shí)際布線中，并不是簡(jiǎn)單將各芯片地亞字池第點(diǎn)連轄大幡電事去耦電界腳、電源腳就近連到粗的平面就行了 ，而要仔細(xì)區(qū)分其形成的回流環(huán)路是否最小如連到不同的電地線對(duì)， 有可能使高頻電流在PCB板的兩個(gè)斜對(duì)角流動(dòng)， 大大增加了 環(huán)路面積。(5高頻去耦電容與大容量鋰電容的使用。數(shù)字電路中，當(dāng)邏輯門(mén)狀態(tài)變化時(shí)，會(huì) 在電源上產(chǎn)生一個(gè)很大地尖峰電流，形成瞬間的噪聲電壓。這種情況普遍采用去耦 電容,它為芯片提供了所需的電流，并且將電流變化局限在較小的范圍內(nèi)，減小了輻 射。因此在每片芯片的附近加上高頻去耦電容 ，容量約為0.01 pf

13、0.1，一般是它 所補(bǔ)充的電容容量的10倍以上。采用鋰電容，而不要使用鋁電解電容，后者具有較大的內(nèi)部電感；電容距離芯片越近越好：去耦電容的引線不宜太長(zhǎng)。用鋰介質(zhì)做成的大容量電容能存儲(chǔ)大量能量，以保證開(kāi)關(guān)元器件所需的電壓和 電流，通常在如下位置每?jī)蓚€(gè)大規(guī)模和超大規(guī)模芯片用一個(gè)大容量電容器(10仙f 100畫(huà):產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的電路附近PCB板上的電源接口 功耗電路和元件附近遠(yuǎn)離直流電源輸入處而元器件放置密度較高的地方(6地平面上的縫隙的影響。電流總是走阻抗最低的路徑 ，低頻的時(shí)候，信號(hào)走電 阻最小的路徑，即直線距離。高頻的時(shí)候，信號(hào)走電感最小的路徑，即信號(hào)線正下方的 地線。因?yàn)榇藭r(shí)的環(huán)路面積最小，環(huán)

14、路的電感與環(huán)路面積成正比。最正確狀態(tài)是地面 上沒(méi)有較大的縫隙。實(shí)際上不可能有很完整的理想地面。如果高頻時(shí)鐘線跨過(guò)地面隔縫，那么回流線被迫A-B方向繞過(guò)隔縫，如圖4。增加 了高頻環(huán)路的面積，增加向空間的輻射干擾，同時(shí)也易受空間磁場(chǎng)的干擾。由于環(huán)路 電感增大，輸出時(shí)鐘波形易產(chǎn)生振蕩。處理方法是在關(guān)鍵線的正下方增加一根橫跨 地線C ,保持較小的信號(hào)環(huán)路。圖4隔縫對(duì)環(huán)路面積的影響(7隨意鋪設(shè)的地銅箔并沒(méi)有用。判斷一個(gè)地線有沒(méi)有用，首先看它能否起到減 小信號(hào)環(huán)路的作用。布線中盲目采用大面積鋪地 ，將線路板兩側(cè)的空白全部填上，這 樣并沒(méi)有起到屏蔽抗干擾的作用。電流總是走阻抗最小的路徑，做不到減小環(huán)路面 積

15、，就不能起到良好的抗干擾效果。如一款密碼鍵盤(pán)產(chǎn)品，在做EMI實(shí)驗(yàn)時(shí)始終不能通過(guò)。經(jīng)過(guò)分析，問(wèn)題出在PCB兩層板的地平面處理CAD/CAM CAD & CAM短評(píng)與介紹Short Comment & Introduction印制電路信息2021 No.6上。如圖5所示,只顯示PCB的地網(wǎng)絡(luò),可以看到中間白色圈處是CPU的接地點(diǎn)，上方白色圈處是輸出電纜的地引腳。地沒(méi)有以最短路徑回流到插座，而是順時(shí)針繞了一大圈，并且中間4次換層，構(gòu)成了較大環(huán)路。圖5盲目大面積鋪地示意PCB整改的方法：直接以較粗走線將CPU接地腳經(jīng)濾波電容，再到接插件地腳，使其路徑最短。調(diào)整走線，使銅箔地面積盡可能的

16、完整，并 將兩層的地線通過(guò)金屬過(guò)孔連接。這樣的作用是減 少兩層之間地電位差。經(jīng)過(guò)處理后這款產(chǎn)品以較大 余量通過(guò)EMI測(cè)試。如圖6所示。圖6 EMC整改后的PCB同樣，為提高抗干擾能力，在主芯片組、高速芯片、時(shí)鐘芯片、晶陣、功耗元件下我們總是盡可 能地在器件下方兩面都鋪上地，并布滿通孔。(8懸空的金屬應(yīng)該接地。懸空的金屬，特別是大面積的金屬分布電容大，容易產(chǎn)生電場(chǎng)耦 合。金屬構(gòu)件間如果有電位差，就可能產(chǎn)生共模 輻射,所以必須把它們良好接地。如散熱片、屏 蔽罩、金屬支架、印制板上孤立的銅箔等都應(yīng)該 就近接地。2.4信號(hào)線設(shè)計(jì)原那么與實(shí)例分析(1在設(shè)計(jì)布線時(shí)，應(yīng)盡量防止長(zhǎng)距離的平行走線：盡可能拉開(kāi)線

17、間的距離，減少導(dǎo)線之間的申擾。信號(hào)線與電源及地線盡量不交叉印制板的線條寬度要均勻、分布密度盡量均勻。導(dǎo)線的拐角不允許為直角。(2對(duì)不同頻率、不同電流大小、不同模塊的信號(hào)線應(yīng)注意隔離。在最初的布局上，元件就要考 慮分組放置。信號(hào)線走線也應(yīng)分隔開(kāi)，不要平行。分布在不同層上的信號(hào)線走向應(yīng)相互垂直，以減少 線間電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合干擾。(3通常高速信號(hào)線特別是時(shí)鐘信號(hào)的引線最易產(chǎn)生電磁輻射干擾。設(shè)計(jì)時(shí)走線應(yīng)盡量靠近地線回路，必要時(shí)可在兩側(cè)各加一根地線，并與地平面 良好連接。不要與其他信號(hào)線平行走線，走線盡可 能的短。盡量少打過(guò)孔，減少導(dǎo)線的不連續(xù)性。(4信號(hào)線的布置要根據(jù)信號(hào)的流向順序安排。對(duì)于數(shù)年K混合電

18、路，不僅在布局上要分成獨(dú)立 的模擬局部和數(shù)字局部，而且走線也要注意分隔。(5盡量減少信號(hào)環(huán)路的面積。電路板的電磁輻射可以用式(1來(lái)描述。E = 263 10-16 ( f 2 AI ( 1/r (1F電流頻率；A環(huán)路面積；I電流強(qiáng)度；R觀測(cè)點(diǎn)到PCB的距離?？梢钥闯鼍€路板的電磁輻射與電流強(qiáng)度、電流環(huán)路面積、電流的頻率等因素有關(guān)。高速的處理速度是靠高速的時(shí)鐘頻率來(lái)保證的，因此限制系統(tǒng)的工作頻率是不允許的，而信號(hào) 電流的強(qiáng)度也不是能隨意減小的。最現(xiàn)實(shí)而有效的 方法是控制信號(hào)環(huán)路的面積。減小信號(hào)環(huán)路面積的 最有效方法是走線盡量短，并且每根信號(hào)線邊上加 一根回流線，使回流線盡量靠近信號(hào)線。顯然，這 種

19、方案并不可行，每條信號(hào)線配上回流線，會(huì)大大 增加布線難度。因此在實(shí)際中，往往只對(duì)時(shí)鐘線和 數(shù)據(jù)地址線的低位線邊上加回流線。對(duì)多層板，由于專(zhuān)門(mén)有兩層作為電源和地，能夠?yàn)樗械匦盘?hào)線提供最小地環(huán)路面積，所以多層 板的抗干擾效果最好。時(shí)鐘和關(guān)鍵信號(hào)最好放置在 鄰近地層，完整的地平面能提供最短的回流路徑。(6時(shí)鐘等高頻信號(hào)防止跨越地分割。信號(hào)線跨越地分割，使得信號(hào)電流無(wú)法以最小環(huán)路面積回 到源頭，以差模的形式對(duì)外輻射電磁能量，且由于 信號(hào)電流的回流阻抗變得很大，在電路板地平面上 的噪聲電流變大，對(duì)地形成很大電壓差，從而導(dǎo)致 對(duì)外共模輻射也很強(qiáng)。(J轉(zhuǎn)第64頁(yè)印制電路信息2021 No.6短評(píng)與介紹Sh

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