印刷電路板EMC設計技術2

印刷電路板EMC設計技術（一）電磁干擾具備因素（二）電子設備的電磁干擾途徑（三）電子設備的電磁兼容性基本原理（四）地布線技巧

（五）Layer（層）之堆疊分配（一）電磁干擾必須同時具備以下三個因素：

①

電磁干擾源，指產(chǎn)生電磁干擾組件、器件、設備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。②

耦合途徑或稱耦合信道、指把能量從干擾源耦合（或傳輸）到敏感設備上，并且該設備產(chǎn)生相應的媒介。③

敏感設備，指對電磁干擾發(fā)生響應的設備。電磁干擾的效果包括系統(tǒng)內部干擾和系統(tǒng)之間干擾兩個方面。（二）電子設備的電磁干擾途徑

當干擾源的頻率較高，

干擾信號可以認為是輻射場，它以平面電磁波形式向外輻射電磁場能量進入被干擾對象的通路。干擾信號以漏電和耦合形式，通過絕緣支撐物等（包括空氣）為媒介，經(jīng)公共阻抗的耦合進入被干擾的線路、設備或系統(tǒng)。如果干擾源的頻率較低，則干擾源可以認為是似穩(wěn)場，它以感應場形式進入被干擾對象的通路。干擾信號可以通過直接傳導方式引入線路、設備或系統(tǒng)。（三）電子設備的電磁兼容性基本原理

1.接地

（接地是電子設備的一個很重要問題。）接地目的有三個：接地使整個電路系統(tǒng)中的所有單元電路都有一個公共的參考零電位，保證電路系統(tǒng)能穩(wěn)定地工作。防止外界電磁場的干擾。

機殼接地可以使得由于靜電感應而積累在機殼上的大量電荷通過大地泄放，否則這些電荷形成的高壓可能引起設備內部的火花放電而造成干擾。另外，對于電路的屏蔽體，若選擇合適的接地，也可獲得良好的屏蔽效果。

保證安全工作。當發(fā)生直接雷電的電磁感應時，可避免電子設備的毀壞；當工頻交流電源的輸入電壓因絕緣不良或其它原因直接與機殼相通時，可避免操作人員的觸電事故發(fā)生。

因此，接地是抑制噪聲防止干擾的主要方法。接地可以理解為一個等電位點或等電位面，是電路或系統(tǒng)的基準電位，但不一定為大地電位。

圖單點和星形接

電路的接地方式基本上有三類，即單點接地、多點接地和混合接地。單點接地：

單點接地是為許多在一起的電路提供公共電位參考點的方法，這樣信號就可以在不同的電路之間傳輸。若沒有公共參考點，就會出現(xiàn)錯誤信號傳輸。單點接地要求每個電路只接地一次，并且接在同一點。

由于只存在一個參考點，因此可以相信沒有地回路存在，因而也就沒有干擾問題。

圖

單點和星形接多點接地:設備內電路都以機殼為參考點，而各個設備的機殼又都以地為參考點。這種接地結構能夠提供較低的接地阻抗，這是因為多點接地時，每條地線可以很短；并且多根導線并聯(lián)能夠降低接地導體的總電感。在高頻電路中必須使用多點接地，并且要求每根接地線的長度小于信號波長的1/20.

圖多點接地混合接地:混合接地既包含了單點接地的特性，又包含了多點接地的特性。例如，系統(tǒng)內的電源需要單點接地，而射頻信號又要求多點接地，這時就可以采用圖所示的混合接地。對于直流，電容是開路的，電路是單點接地，對于射頻，電容是導通的，電路是多點接地。

圖混合接地2.屏蔽屏蔽就是對兩個空間區(qū)域之間進行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區(qū)域對另一個區(qū)域的感應和輻射。因為屏蔽體對來自導線、電纜、元部件、電路或系統(tǒng)等外部的干擾電磁波和內部電磁波均起著吸收能量（渦流損耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能量（電磁感應在屏蔽層上產(chǎn)生反向電磁場，可抵消部分干擾電磁波）的作用，所以屏蔽體具有減弱干擾的功能。濾波濾波是抑制和防止干擾的一項重要措施。（阻抗問題，電源線濾波器，信號線濾波器）

阻抗問題：濾波器的在射頻電磁波的傳輸路徑上形成很大的特性阻抗不連續(xù)，將射頻電磁波中的大部分能量反射回源處。傳輸線的分類：

帶狀線（stripline）:指信號線夾在兩電源層的中間，理論上它是最好的傳輸信號，因為兩邊有屏蔽，但信號不容易被測試。

微帶線(microstrio):信號線在外層，易于測試。微帶線特性阻抗因素之相互關系：

線寬(w),線厚(T),與阻抗Z成反比；介質層厚度(H)，與阻抗Z成反比；介質常數(shù)(er)與阻抗Z關系為

1/√er當頻率高時，介質常數(shù)(er)

會降低，相對特性阻抗Z會隨之提高。

具體運算可以到網(wǎng)址（/pcbtlc2/

）中查詢。電源線濾波器：地線泄漏會產(chǎn)生很大的地線電流，這樣就會產(chǎn)生地線電壓差，從而導致不同設備間的互連電纜上產(chǎn)生“嗡嗡”的交流聲和瞬態(tài)高電平。（差模濾波器）開關電源轉換器上使用的典型濾波器信號線濾波器：如果傳導發(fā)射或輻射發(fā)射由不可避免的信號頻譜引起，那么使用差模濾波器來減小這些發(fā)射并不可行。因為有用的信號是差模而非共模，應采用共模濾波。射頻參考地是PCB上的實心地平面、金屬板或金屬殼體。性能較好的信號線濾波器一般是RC、LC或T型的，將電阻或電感連接到外部導線上。這將使射頻參考地線上的射頻電流比C或π型濾波器產(chǎn)生的射頻電流小得多。4.正確使用無源組件

例如；電阻、電容及電感。

組件本身就是一個干擾源，因此正確選用無源組件非常重要。有時也可以利用組件具有的特性進行抑制和防止干擾。

5.電路技術

接點網(wǎng)絡，整形電路，積分電路和選通電路等等?？傊?，采用電路技術也是抑制和防止干擾的重要措施。(四)

地布線技巧1.電源、地線的處理

a.在電源、地線之間加上去耦電容

b.盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關系是：地線＞電源線＞信號線，通常信號線寬為：0.2～0.3mm,最經(jīng)細寬度可達0.05～0.07mm,電源線為1.2～2.5mm

C.對數(shù)字電路的PCB可用寬的地導線組成一個回路,即構成一個地網(wǎng)來使用(模擬電路的地不能這樣使用)

d.用大面積銅層作地線用,在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用。或是做成多層板，電源，地線各占用一層。

2.數(shù)字電路與模擬電路的共地處理

現(xiàn)在有許多PCB不再是單一功能電路（數(shù)字或模擬電路），而是由數(shù)字電路和模擬電路混合構成的。布線時就需要考慮地線上的噪音干擾，數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強，對信號線來說，高頻的信號線盡可能遠離敏感的模擬電路器件。而在板內部數(shù)字地和模擬地實際上是分開的它們之間互不相連，只是在PCB與外界連接的接口處（如插頭等），數(shù)字地與模擬地有一點短接。也有在PCB上不共地的，這由系統(tǒng)設計來決定。電磁兼容(EMC)的兩個基本原則：第一個原則是盡可能減小電流環(huán)路的面積；第二個原則是系統(tǒng)只采用一個參考面。如果系統(tǒng)存在兩個參考面，就可能形成一個偶極天線(注：小型偶極天線的輻射大小與線的長度、流過的電流大小以及頻率成正比)；而如果信號不能通過盡可能小的環(huán)路返回，就可能形成一個大的環(huán)狀天線(注：小型環(huán)狀天線的輻射大小與環(huán)路面積、流過環(huán)路的電流大小以及頻率的平方成正比)。

Layout中最關鍵的問題是不能跨越分割間隙布線，一旦跨越了分割間隙布線，電磁輻射和信號串擾都會急劇增加如上圖所示，我們采用上述分割方法，而且信號線跨越了兩個地之間的間隙，信號電流的返回路徑是什幺呢？假定被分割的兩個地在某處連接在一起(通常情況下是在某個位置單點連接)，在這種情況下，地電流將會形成一個大的環(huán)路。流經(jīng)大環(huán)路的高頻電流會產(chǎn)生輻射和很高的地電感，如果流過大環(huán)路的是低電平模擬電流，該電流很容易受到外部信號干擾。最糟糕的是當把分割地在電源處連接在一起時，將形成一個非常大的電流環(huán)路。另外，模擬地和數(shù)字地通過一個長導線連接在一起會構成偶極天線。

如上圖所示，可以先在被分割的地之間進行單點連接，形成兩個地之間的連接橋，然后從而使形成的環(huán)路面積很小。通過該連接橋布線。這樣，在每一個信號線的下方都能夠提供一個直接的電流回流路徑，從而使形成的環(huán)路面積很小

采用光隔離器件或變壓器也能實現(xiàn)信號跨越分割間隙。對于前者，跨越分割間隙的是光信號；在采用變壓器的情況下，跨越分割間隙的是磁場?；蛘逿race遵循3W法則，還有一種可行的辦法是采用差分信號：信號從一條線流入從另外一條信號線返回，這種情況下，不需要地作為回流路徑。

如上圖所示，在將A/D轉換器的模擬地和數(shù)字地管腳連接在一起時，最好的辦法是開始時就用統(tǒng)一地。將統(tǒng)一的地分為模擬部分和數(shù)字部分。這樣的布局布線既滿足了IC器件廠商對模擬地和數(shù)字地管腳低阻抗連接的要求，同時又不會形成環(huán)路天線或偶極天線而產(chǎn)生EMC問題。在設計時注意盡量使電路板在后邊實驗時易于用間距小于1/2英寸的跳線或0歐姆電阻將分割地連接在一起。注意分區(qū)和布線，確保在所有的層上沒有數(shù)字信號線位于模擬部分之上，也沒有任何模擬信號線位于數(shù)字部分之上。而且，任何信號線都不能跨越地間隙或是分割電源之間的間隙。

3.信號線布在電（地）層上在多層印制板布線時，由于在信號線層沒有布完的線剩下已經(jīng)不多，再多加層數(shù)就會造成浪費也會給生產(chǎn)增加一定的工作量，成本也相應增加了，為解決這個矛盾，可以考慮在電源（地）層上進行布線。首先應考慮用電源層，其次才是地層。因為最好是保留地層的完整性。4.大面積導體中連接腳的處理在大面積的接地（電）中，常用元器件的腳與其連接，對連接腳的處理需要進行綜合的考慮，就電氣性能而言，組件腳的焊盤與銅面滿接為好，但對組件的焊接裝配就存在一些不良隱患如：①焊接需要大功率加熱器。②容易造成虛焊點。所以兼顧電氣性能與工藝需要，做成十字花焊盤，稱之為熱隔離（heatshield）俗稱熱焊盤（Thermal），這樣，可使在焊接時因截面過分散熱而產(chǎn)生虛焊點的可能性大大減少。多層板的接電源（地）腳的處理相同。

5.設計規(guī)則檢查（DRC）

1)布線設計完成后，需認真檢查布線設計是否符合設計者所制定的規(guī)則，同時也需確認所制定的規(guī)則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求，一般檢查有如下幾個方面：

2)線與線，線與組件焊盤，線與貫通孔，組件焊盤與貫通孔，貫通孔與貫通孔之間的距離是否合理，是否滿足生產(chǎn)要求。

3)電源線和地線的寬度是否合適，電源與地線之間是否緊耦合（低的波阻抗），在PCB中是否還有能讓地線加寬的地方。

4)對于關鍵的信號線是否采取了最佳措施，如長度最短，加保護線，輸入線及輸出線被明顯地分開。

5)模擬電路和數(shù)字電路部分，是否有各自獨立的地線。

6)后加在PCB中的圖形（如圖標、注標）是否會造成信號短路。