魏凌云

（北京控制工程研究所，北京 100190）

0 引言

電磁兼容（Electromagnetic Compatibility, EMC）設(shè)計(jì)的目的是使所設(shè)計(jì)的電子線路產(chǎn)品或系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中實(shí)現(xiàn)EMC。目前航天器中所有的電子線路產(chǎn)品都是通過設(shè)計(jì)印制線路板來實(shí)現(xiàn)其功能。諸多的應(yīng)用實(shí)例表明，即使電子線路產(chǎn)品在原理圖設(shè)計(jì)階段沒有問題，若其印制線路板的EMC 設(shè)計(jì)不當(dāng)，也不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，因此良好的EMC 設(shè)計(jì)是所有電子線路產(chǎn)品乃至整個(gè)航天器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

電子線路產(chǎn)品的EMC 設(shè)計(jì)分為產(chǎn)品內(nèi)和產(chǎn)品間兩部分，產(chǎn)品內(nèi)的EMC 設(shè)計(jì)又分為有源器件的選用、布線、接地、屏蔽及濾波5 個(gè)部分[1]。電子線路產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員在最開始的電原理設(shè)計(jì)時(shí)就需要考慮EMC 設(shè)計(jì)。同時(shí)，在印制線路板布線設(shè)計(jì)過程中的EMC 設(shè)計(jì)也是重要環(huán)節(jié)之一，特別是印制線路板的地線設(shè)計(jì)是其中的重中之重，地線設(shè)計(jì)的好壞將直接影響整個(gè)產(chǎn)品的EMC 性能。因此，本文主要分析印制線路板布線的EMC 設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是印制線路板上地線的設(shè)計(jì)。

1 印制線路板布線設(shè)計(jì)中的EMC 技術(shù)

1.1 印制線路板種類

印制線路板是電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)其功能的重要載體，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，它將具有減少騷擾和提高抗擾 度的優(yōu)點(diǎn)。印制線路板設(shè)計(jì)應(yīng)符合GB 4588.3-8《印制電路板設(shè)計(jì)和使用》的要求。目前航天領(lǐng)域使用的印制線路板主要有2 種，即雙面（2 層）板和多層板。本節(jié)首先介紹印制線路板布線設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用到的EMC 技術(shù)，然后主要針對雙面板和多層板這2種印制線路板給出相關(guān)布線的EMC 設(shè)計(jì)方案。

1.2 降低和抵抗傳導(dǎo)和輻射騷擾的基本原理

1.2.1 公共阻抗與近場耦合最小化原理

當(dāng)出現(xiàn)大的穩(wěn)態(tài)電流或電流變化很快時(shí)，公共阻抗會(huì)產(chǎn)生共阻抗型傳導(dǎo)騷擾，因此使公共電源線和地線上的公共阻抗變小，其產(chǎn)生的共阻抗型傳導(dǎo)騷擾就會(huì)降低。

當(dāng)信號線間分布電容或分布互感較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生近場耦合型傳導(dǎo)騷擾，因此使信號線間的分布電容或分布互感變小，其產(chǎn)生的近場耦合型傳導(dǎo)騷擾就會(huì)降低。

1.2.2 鏡像平面與磁通最小化原理

當(dāng)正線與回線電流大小相等、方向相反且距離無限小時(shí)，正線與回線電流產(chǎn)生的空間電磁場相反而抵消，不產(chǎn)生電磁輻射。從電路角度看，此時(shí)互感等于自感。

當(dāng)正線與回線電流大小相等、方向相反時(shí)，回線電流相當(dāng)于正線電流的鏡像。因此，如能建立一個(gè)鏡像平面作為回線，就可以使正線電流與回線電流大小相等、方向相反。

以上兩點(diǎn)即是鏡像平面與磁通最小化原理，它們引申到印制線路板布線設(shè)計(jì)時(shí)的基本原則是：使信號線正線電流與回線電流相等，并使它們組成的回路面積盡可能小。這樣可以有效降低電磁輻射并有利于抵抗電磁騷擾。

1.3 雙面板EMC 設(shè)計(jì)方案

雙面板的優(yōu)點(diǎn)是安裝在印制線路板上的元器件易于修改或更換，只適用于要求中等密度的場合。在進(jìn)行雙面板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該首先將地線網(wǎng)格布好，然后再進(jìn)行信號線及電源線的布線，但地線網(wǎng)格設(shè)計(jì)不適合低頻小信號模擬電路。雙面板設(shè)計(jì)若忽略過孔的阻抗，建議將雙面板的一面走橫線、另一面走豎線，同時(shí)將高速信號線盡量靠近地線以減小環(huán)路面積。

在高速數(shù)字電路中要盡量避免使用“梳狀”的地線設(shè)計(jì)（圖1），這種地線結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致信號回流電流的環(huán)路面積很大，增加印制線路板的輻射和敏感度，且芯片之間的公共阻抗也可能會(huì)造成電路的誤動(dòng)作。解決措施是在梳齒間增加橫線，即將“梳狀”地線結(jié)構(gòu)變成地線網(wǎng)格。

需要注意的是在印制線路板設(shè)計(jì)時(shí)不能將數(shù)字地與模擬地重合，這樣會(huì)使數(shù)字電路騷擾耦合進(jìn)模擬電路，但數(shù)字地和模擬地可以在數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的部位單點(diǎn)連接。

圖1 梳狀地線結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of ground wire of comb type

1.4 多層板EMC 設(shè)計(jì)方案

為滿足當(dāng)前電子產(chǎn)品功能不斷增加、體積逐步縮小的要求，印制線路板設(shè)計(jì)已不再僅使用雙面板設(shè)計(jì)，正在逐步向多層板發(fā)展。

多層線路板是由預(yù)浸環(huán)氧玻璃布把3 層以上 的分離導(dǎo)電圖形黏接層壓而成，電源和地線是由非浸蝕35 μm 銅箔板構(gòu)成的，這樣電源和地線組成的平面就具有極低的分布源阻抗。因此，多層板比雙面板更能避免共阻抗耦合，提供屏蔽。多層板的缺點(diǎn)是不易于修改，只適用于設(shè)計(jì)預(yù)期變化不大或沒有變化的產(chǎn)品。

4 層以上（含4 層）的線路板統(tǒng)稱為多層板。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，為使多層印制線路板具有較好的電磁兼容性，在進(jìn)行分層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)依據(jù)以下原則。 1）4 層板分層：信號層，地線層，電源層，信號層。如果電源電壓有多種規(guī)格，可在電源層作劃分或連接，但地線層最好不作劃分，且重要信號線緊挨著地線層。2）6 層板分層：信號層，地線層，信號層，電源層，地線層，信號層。這種設(shè)計(jì)是為了保證電源和地之間的距離較小，這樣電源的解耦效果較好，且內(nèi)層信號之間沒有串?dāng)_現(xiàn)象。3）8 層板分層：信號層，地線層，信號層，地線層，電源層，信號層，地線層，信號層。這種設(shè)計(jì)與6 層板分層的原則一致。4）10 層板分層：信號層，地線層，信號層，信號層，地線層，電源層，信號層，信號層，地線層，信號層。如果印制線路板的分層繼續(xù)增多，其設(shè)計(jì)仍可按照上面的分層原則進(jìn)行。

另外，多層印制線路板的設(shè)計(jì)還應(yīng)遵守以下幾條共同的原則。1）主電源平面層即平均功率最大的電源層一定要緊鄰地線層，且在地線層的下面，這樣可以保證電子線路中的電源與地的距離最近，有利于電源的解耦。2）數(shù)字電路與模擬電路分開。3）時(shí)鐘電路及高頻電路是主要的輻射源，應(yīng)單獨(dú)安排、遠(yuǎn)離敏感電路。4）20H 原則：即要求印制線路板電源層等的物理尺寸應(yīng)該比最靠近的地線層的物理尺寸小20H（H 為電源層和地線層間的距離[2]），這樣的設(shè)計(jì)可以將電源對附近電路的耦合降低70%左右；當(dāng)這個(gè)距離增加為100H 時(shí)，電源對附近電路的耦合幾乎可以降低98%。5）2W 原則：即要求保證任何線條間距不小于2 倍的印制導(dǎo)線線條寬度（W 為印制導(dǎo)線線條寬度[4]）。6）在印制線路板上不允許有任何電氣上沒有連接并懸空的金屬存在，例如集成片上空閑的引腳、散熱片、金屬屏蔽罩、支架和板上沒有利用的金屬面等都應(yīng)該就近連接地線層。

2 印制線路板中的地線設(shè)計(jì)

2.1 接地設(shè)計(jì)原則

印制線路板的地線設(shè)計(jì)是印制線路板設(shè)計(jì)的一個(gè)基本問題，是一項(xiàng)難度較大的設(shè)計(jì)，也是解決EMC 問題最有效和最廉價(jià)的方法。為了能夠完美實(shí)現(xiàn)電原理設(shè)計(jì)的初衷，在進(jìn)行印制線路板設(shè)計(jì)過程中，地線設(shè)計(jì)起到了非常關(guān)鍵的作用。所謂“地”一般定義為電路或系統(tǒng)的零電位參考點(diǎn)?！敖拥亍币话闶侵鸽娐坊蛳到y(tǒng)與“地”之間建立低阻通路，其中一點(diǎn)通常是系統(tǒng)的一個(gè)電氣或電子元件，而另一點(diǎn)則是稱之為“地”的參考點(diǎn)[3]。印制線路板接地的目的就是為了對線路板上的信號電壓提供參考地，而其印制線路板EMC 設(shè)計(jì)核心就在于減小接地線的阻抗。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，一般在印制線路板的板級地線設(shè)計(jì)中應(yīng)遵守以下原則[4]。

1）根據(jù)工作頻率選擇正確的接地方式

在低頻（頻率小于1 MHz）電路中，接地阻抗較小，而接地電路中的環(huán)流對干擾的影響不容忽視，宜采用單點(diǎn)接地設(shè)計(jì)方式；若信號工作頻率大于10 MHz 時(shí)，接地阻抗變得很大，應(yīng)采用多點(diǎn)就近接地的設(shè)計(jì)方式以期盡量降低接地阻抗；當(dāng)信號工作頻率達(dá)到100 MHz 時(shí)，應(yīng)采用多點(diǎn)接地法且地線長度不應(yīng)超過信號波長的1/20，這樣才能獲得較低的接地阻抗。

2）保證接地線有足夠?qū)挾?/p>

若接地線很細(xì)，接地阻抗就較高，這樣接地電位則容易隨電流的變化而變化，影響電子線路的抗噪聲性能。因此應(yīng)盡量將接地線加粗，如有可能接地線的寬度應(yīng)不小于3 mm。

3）將接地線構(gòu)成閉環(huán)路

若設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的線路板的地線系統(tǒng)時(shí)，將地線做成封閉環(huán)路可以明顯降低接地阻抗，縮小不同接地點(diǎn)間的電位差，提高電子線路產(chǎn)品的抗噪聲能力。

4）雙面板地線布局設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

對雙面板上的數(shù)字電路來說，最好采用網(wǎng)狀/矩陣狀的地線布局，因?yàn)檫@種配置可以降低接地阻抗，減小接地回路和信號環(huán)路長度。電源線和地線的最小寬度應(yīng)為1.5 mm。

5）多層板地線布局設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

如果電源電壓有多種規(guī)格，地線層最好不要?jiǎng)澐?，重要信號一定要緊靠地線層走線。當(dāng)采用多層印制線路板設(shè)計(jì)時(shí)，如1.3 節(jié)所述可將其中幾層作為地線層，這樣有利于降低整個(gè)電子線路系統(tǒng)的接地阻抗，同時(shí)又能起到良好的屏蔽作用，達(dá)到電磁兼容的目的。

2.2 接地方式設(shè)計(jì)

目前電子產(chǎn)品在系統(tǒng)中的接地方式可以分為懸浮地、單點(diǎn)接地（串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地）、多點(diǎn)接地及混合接地等。

1）懸浮地是指電子線路產(chǎn)品的地線在電氣上與系統(tǒng)的參考地相絕緣，如圖2所示。

圖2 懸浮地Fig.2 Suspended grounding

2）單點(diǎn)接地是指所有線路的地線接到公共地線的同一點(diǎn)，單點(diǎn)接地還可進(jìn)一步分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地，如圖3、圖4所示。單點(diǎn)接地設(shè)計(jì)常應(yīng)用于模擬電路。

圖3 串聯(lián)單點(diǎn)接地Fig.3 Series single point grounding

圖4 并聯(lián)單點(diǎn)接地Fig.4 Parallel duplicate point grounding

3）多點(diǎn)接地是指所有線路的地線都接到公共地線的不同點(diǎn)上，即線路地線設(shè)計(jì)采取就近接地的方法，如圖5所示。在數(shù)字電路及高頻大信號電路中推薦使用多點(diǎn)接地，且要求每根接地線的長度小于信號波長的1/20，這樣能夠降低接地阻抗產(chǎn)生的共模電壓，但這種方式不適合敏感的模擬電路。

圖5 多點(diǎn)接地Fig.5 Multipoint grounding

4）混合接地是指在地線系統(tǒng)內(nèi)使用電感、電容連接，利用電感、電容在不同頻率下有不同阻抗的特性使線路在不同的工作頻率下具有不同的接地結(jié)構(gòu)，如圖6所示。在多層、多電源且數(shù)、?；旌系挠≈凭€路板設(shè)計(jì)中，建議選用混合接地方案。

圖6 混合接地Fig.6 Hybrid grounding

3 航天產(chǎn)品應(yīng)用舉例

目前航天產(chǎn)品有一個(gè)共同的特點(diǎn)和要求就是盡可能減小產(chǎn)品的尺寸、質(zhì)量和功耗。航天電子線路產(chǎn)品也逐漸向一體化、小型化和低功耗方向發(fā)展。減小印制線路板的尺寸可以直接減小航天電子線路產(chǎn)品的尺寸和質(zhì)量；同時(shí)，將電子線路與機(jī)械部件集成在一起，也是航天機(jī)電產(chǎn)品一體化的發(fā)展方向。但電路的高度集中會(huì)造成模擬小信號和驅(qū)動(dòng)大信號電路，低頻模擬電路和高頻數(shù)字電路分布在同一塊印制線路板中，印制線路板設(shè)計(jì)師在布線時(shí)稍不注意，就有可能帶來印制線路板的EMC 設(shè)計(jì)問題。

例如：某航天產(chǎn)品，為了實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，在電子線路分板設(shè)計(jì)時(shí)需要將模擬小信號采集電路和大電流驅(qū)動(dòng)電路放在同一塊印制線路板中。最初的布線如圖7所示，存在共阻抗騷擾。

生產(chǎn)加工完成的線路板，加電工作時(shí)的大電流驅(qū)動(dòng)電路工作特性為幾千Hz 斷續(xù)工作，小信號采集電路上存在很大的電壓噪聲。這是由于兩部分電路在物理上共用了一段電源線和地線，產(chǎn)生共阻抗騷擾引起的。后來，將大電流驅(qū)動(dòng)電路和小信號采集電路的電源線和地線分別布線（如圖8所示），消除了共阻抗騷擾。

圖7 存在共阻抗騷擾布線Fig.7 Wiring with impedance disturbance

圖8 消除共阻抗騷擾布線Fig.8 Wiring of avoiding impedance disturbance

4 結(jié)束語

航天電子線路產(chǎn)品印制線路板布線的EMC 設(shè)計(jì)是技術(shù)性很強(qiáng)的工作，尤其是地線的設(shè)計(jì)需要大量的工程經(jīng)驗(yàn)積累作為基礎(chǔ)。本文主要針對印制線路板設(shè)計(jì)中布線的EMC 技術(shù)和印制線路板中地線走線設(shè)計(jì)的原則進(jìn)行了相關(guān)闡述，針對印制線路板的種類給出了雙面板和多層板以及接地方式的設(shè)計(jì)方案，對從事相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)工作的技術(shù)人員具有一定的指導(dǎo)意義。

（References）

[1]楊克俊.電磁兼容原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京∶人民郵電出版社, 2004∶352

[2]白同云, 呂曉德.電磁兼容設(shè)計(jì)[M].北京郵電大學(xué)出版社, 2001∶286

[3]顧海林.電磁干擾與電磁兼容性技術(shù)綜述[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2008 (28)∶88-89

[4]王芳.提高印制電路板的抗干擾能力及電磁兼容的措施[J].信息技術(shù), 2009(7)∶174-177 Wang Fang.The measures of improving the anti-interference capability and electromagnetic compatibility of PCB[J].Information Technology, 2009(7)∶174-177