李延慶，馬勇

（1.西安蘭德新能源汽車(chē)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，陜西 西安 710043；2.陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710200）

行業(yè)焦距

淺談PCB設(shè)計(jì)中的電磁兼容問(wèn)題

李延慶1，馬勇2

（1.西安蘭德新能源汽車(chē)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，陜西 西安 710043；2.陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710200）

本文簡(jiǎn)要的介紹了電磁兼容的相關(guān)概念，論述了PCB設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的電磁兼容問(wèn)題，然后分幾個(gè)方面來(lái)講了PCB的電磁兼容設(shè)計(jì)以及實(shí)際應(yīng)用電路中的抗干擾設(shè)計(jì)。

PCB；電磁兼容；布局；抗干擾

CLC NO.:U463.6Document Code:BArticle ID:1671-7988(2014)11-01-03

引言

截止目前，電磁兼容問(wèn)題一直是電子設(shè)備和產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中的一個(gè)核心問(wèn)題，電磁兼容性影響著整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性以及穩(wěn)定性。因此，電磁兼容性是電力設(shè)備能否正常工作的關(guān)鍵。所有電力設(shè)備的載體都是印制電路板PCB，它的性能直接關(guān)系到電子設(shè)備質(zhì)量的可靠性。所以在印制電路板PCB的設(shè)計(jì)中，電磁兼容性設(shè)計(jì)的是否合理是改善PCB乃至整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。為此本文介紹了PCB設(shè)計(jì)中的的電磁兼容問(wèn)題，并通過(guò)從電路板的選取、元器件的選型布局、電源線地線的設(shè)計(jì)等方面來(lái)講了PCB的電磁兼容該如何設(shè)計(jì)；最后從各電路模塊的電磁兼容性能考慮，來(lái)具體分析怎樣才能有效的抑制電磁干擾，來(lái)提高電路系統(tǒng)的可靠性以及穩(wěn)定性。

1、電磁兼容（EMC）

EMC-Electro Magnetic Compatibility ，國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC的定義是：系統(tǒng)或設(shè)備在所處的電磁環(huán)境中能正常工作，同時(shí)不對(duì)其他系統(tǒng)和設(shè)備造成干擾。電磁兼容EMC包括兩方面：電磁干擾EMI和電磁抗擾EMS。對(duì)于電磁兼容性，必須滿足三個(gè)要素：

（1）電磁兼容需要存在某一個(gè)特定的空間。比如，大的，一個(gè)房間甚至宇宙；小的，可以是一塊集成電路板。

（2）電磁兼容必須同時(shí)存在騷擾的發(fā)射體和感受體。

（3）必須在一定的媒體（耦合途徑）將發(fā)射體與感受體結(jié)合到一起。這個(gè)媒體可以是空間，也可以是公共電網(wǎng)或者公共阻抗。

上述的三個(gè)基本要素必須都具備時(shí)才會(huì)發(fā)生電磁干擾。如果去除了其中之一，就不會(huì)發(fā)生電磁干擾。所以，工程師根據(jù)哪一個(gè)因素容易消除來(lái)降低或者去除電磁干擾。

2、PCB設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的電磁兼容問(wèn)題

PCB設(shè)計(jì)中的電磁兼容問(wèn)題，應(yīng)先了解PCB中各種電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理和傳播途徑，然后才能提出相應(yīng)的解決方案。通常PCB中存在的電磁干擾有：傳導(dǎo)干擾，輻射干擾和串音干擾。產(chǎn)生干擾的根源是電路中電壓或電流的變換。

2.1 傳導(dǎo)干擾

傳導(dǎo)干擾主要通過(guò)導(dǎo)線耦合及共模阻抗耦合來(lái)影響其他電路。例如噪音通過(guò)電源電路進(jìn)入某一系統(tǒng)，所有使用該電源的電路就會(huì)受到它的影響。噪音通過(guò)共模阻抗耦合的，電路與電路共同使用一根導(dǎo)線獲取電源電壓和接地回路，如果其中一個(gè)電路的電壓突然升高，那么另一電路必將因?yàn)楣灿秒娫匆约皟苫芈分g的阻抗而降低。對(duì)于地回路也是如此。

2.2 輻射干擾

輻射干擾是由于空間電磁波的輻射而引入的干擾。PCB中的輻射干擾主要是電纜和內(nèi)部走線間的共模電流輻射干擾。當(dāng)電磁波照射到傳輸線上時(shí)，將出現(xiàn)場(chǎng)到線的耦合問(wèn)題，沿線引起的分布小電壓源可分解為共模（CM）和差模（DM）分量。共模電流指兩導(dǎo)線上振幅相差很小而相位相同的電流，差模電流則是兩導(dǎo)線上振幅相等而相位相反的電流。

2.3 串音干擾

串音干擾是一個(gè)信號(hào)線路干擾另外一鄰近的信號(hào)路徑。它通常發(fā)生在鄰近的電路和導(dǎo)體上，用電路和導(dǎo)體的互容和互感來(lái)表征。

3、PCB的電磁兼容設(shè)計(jì)

PCB的EMC設(shè)計(jì)，主要從EMI和EMS兩方面考慮。針對(duì)EMI的設(shè)計(jì)，要抑制源頭、減少輻射和輸入的干擾；針對(duì)EMS，要提高PCB板自身的抗干擾能力，遇到干擾，能削弱干擾或者能將干擾巧妙的導(dǎo)入大地。一個(gè)可靠的印制電路板既要考慮到EMI，又要考慮到EMS。一般需要注意以下幾點(diǎn)：印制電路板的選取、元器件的選型及布局、印制電路板的布線設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)等。

3.1 電路板的選取

電路板有單層板、雙層板以及多層板。根據(jù)電路板的電源、地的種類(lèi)、信號(hào)密度、板級(jí)工作頻率、有特殊布線要求的信號(hào)數(shù)量，以及綜合電路板的性能指標(biāo)要求與成本承受能力，確定面板的層數(shù)；目前，高密度布線、高集成度芯片的高速數(shù)字電路一般采用四層或四層以上的多層板。要提高PCB的電磁兼容性，最有效的方法就是減小關(guān)鍵信號(hào)尤其是電源信號(hào)的回路面積。在多層板設(shè)計(jì)中，可設(shè)置專(zhuān)門(mén)的電源層和地層，使信號(hào)線與地線之間的距離僅為印制電路板的層間距離。這樣，板上信號(hào)的回路面積就可以降至最小，從而有效減小差模輻射，提高線路板的抗干擾能力。

時(shí)鐘頻率到5MHZ或脈沖上升時(shí)間小于5ns，則PCB板必須采用多層板，多層板板層的排列原則為：元件下為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供參考平面；所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰；盡量避免兩信號(hào)層直接相鄰；主電源盡可能與其對(duì)應(yīng)地相鄰；若信號(hào)線可以在電源/地層上進(jìn)行布線，則首先應(yīng)考慮用電源層，其次才是地層，因?yàn)樽詈檬潜Ａ舻貙拥耐暾?。四層板層疊順序一般為信號(hào)層、地層、電源層、信號(hào)層；六層板層疊順序?yàn)樾盘?hào)層、地層、信號(hào)層、地層、電源層、信號(hào)層。

選擇電路板時(shí)盡可能選擇基板材料的相對(duì)介電常數(shù)大的PCB，此類(lèi)PCB特性阻抗小些。

3.2 電容的設(shè)計(jì)

電容的選擇：一般電路中我們選擇貼片式電容，不選擇直插式電容。旁路電容和去耦電容，可通過(guò)所使用的時(shí)鐘速度來(lái)計(jì)算所需電容器的自諧振頻率，根據(jù)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電感的SMT電容器，而不選擇通孔式電容器。另外，產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(tǒng)，當(dāng)工作頻率高于自諧振頻率時(shí)，大電容表現(xiàn)感性阻抗并隨頻率增大而增加；而小電容則表現(xiàn)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(dú)一個(gè)電容時(shí)的阻抗要小。

旁路電容一般作為高頻旁路器件來(lái)減少對(duì)電源模塊的瞬態(tài)電源要求，通常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10～470uF范圍內(nèi)，若PCB板上有許多集成電路、高速開(kāi)關(guān)電路和具有長(zhǎng)引線的電源，則應(yīng)該選擇大容量的電容。

去耦電容的配置：一般每個(gè)集成電路芯片都布置一個(gè)0.01pF的陶瓷電容；對(duì)于抗噪能力弱、關(guān)斷時(shí)電源變化大的器件，如RAM、ROM存儲(chǔ)器件，應(yīng)在芯片的電源線和地線之間直接接入去耦電容；電容引線不能太長(zhǎng)，尤其是高頻旁路電容不能有引線；CMOS的輸入阻抗很高，且易受感應(yīng)，因此在使用時(shí)對(duì)不用端要接地或接正電源。

3.3 元器件布局

在印制電路板中對(duì)元件布局時(shí)，從頻率考慮應(yīng)先高頻電路，然后中頻電路，最后低頻電路；從邏輯速度考慮，應(yīng)先高速邏輯電路，再中速邏輯電路，最后是低速邏輯電路。

元器件布局時(shí)，注意以下幾點(diǎn)可以避免許多電磁兼容問(wèn)題：

（1）發(fā)熱元件遠(yuǎn)離關(guān)鍵集成電路。最好將功率輸出器件及電源等易發(fā)熱元器件布置在PCB的邊緣或偏上方部位以利于散熱。

（2）敏感器件應(yīng)遠(yuǎn)離CPU時(shí)鐘發(fā)生器，同時(shí)在其周?chē)碾娫淬~箔上蝕刻出馬蹄形可提高隔離性。

（3）所有連接器應(yīng)放在印制板的一側(cè)，盡量避免從兩側(cè)引出I/O電纜，以便減小共模電流輻射。

（4）當(dāng)引線長(zhǎng)度大于噪聲頻率相應(yīng)波長(zhǎng)的1/20時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生天線效應(yīng)，因此高速器件在印制電路板上的走線應(yīng)盡可能短，且盡可能遠(yuǎn)離連接器。輸入輸出（I/O）驅(qū)動(dòng)器應(yīng)緊靠連接器，避免I/O信號(hào)在板上長(zhǎng)距離走線，耦合不必要的干擾信號(hào)。

（5）工作頻率接近或工作電平相差大的元器件應(yīng)相距遠(yuǎn)些，以免相互干擾，宜將時(shí)鐘發(fā)生器、振蕩器等易產(chǎn)生噪聲的器件相互靠近布置，將有關(guān)邏輯電路部分盡量遠(yuǎn)離一些；

（6）電磁干擾（EMI）濾波器要盡可能靠近EMI源，并盡可能放在同一面線路板上。

3.4 電源線和地線的設(shè)計(jì)

電源的設(shè)計(jì)：在PCB設(shè)計(jì)中，電源網(wǎng)絡(luò)、地網(wǎng)絡(luò)如果布局布線不合理容易引起干擾，使產(chǎn)品性能下降，有時(shí)甚至影響到產(chǎn)品的成功率。為了降低電源、地線所產(chǎn)生的噪聲干擾，盡量按照以下方式來(lái)布設(shè)：

第一，電源和地線之間加上去耦電容。

第二，盡量加大電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關(guān)系是：地線>電源線>信號(hào)線。通常信號(hào)線寬為0.2～0.3mm；電源線為1.2～2.5mm。

地線的設(shè)計(jì)：數(shù)字與模擬地分開(kāi)，若線路上既有邏輯電路又有線性電路，應(yīng)使他們盡量分開(kāi)。低頻電路的地應(yīng)盡量采取單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地，高頻電路的地宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而粗，高頻元件周?chē)M量用柵格狀大面積地銅箔。接地線應(yīng)盡量加粗，使它能通過(guò)3倍于PCB板上允許的電流，如有可能接地線應(yīng)在2～3mm以上。如接地線較細(xì)，則接地電位隨著電流的變化而變化，使抗噪性能降低，因此應(yīng)將接地線加粗。另外，只由數(shù)字電路組成的印制板，其接地線構(gòu)成閉環(huán)路能提高抗噪能力。

4、實(shí)際電路中的抗干擾設(shè)計(jì)

進(jìn)行電路設(shè)計(jì)之前，應(yīng)先熟悉所用元器件的電磁兼容性能。選好元器件并熟悉它們的高頻性能是進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)的第一步，在這些元器件與產(chǎn)品的電磁兼容性有關(guān)時(shí)更應(yīng)注意選擇已經(jīng)驗(yàn)證過(guò)的產(chǎn)品。

從電磁兼容角度來(lái)看電路，電路可以分成如下幾個(gè)功能模塊：

（1）產(chǎn)生電磁干擾的電路，如數(shù)字電路、微處理器及外圍電路、開(kāi)關(guān)電源等；

（2）需保護(hù)不受干擾的電路，如小信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路的模擬輸入與轉(zhuǎn)換部分；

（3）與干擾無(wú)關(guān)的電路，如無(wú)元器件組成的網(wǎng)絡(luò)、負(fù)載等；

（4）接口電路，通常干擾通過(guò)這些接口輸入或輸出電路。

按照電磁兼容的性能劃分好電路模塊后，就可以根據(jù)不同的電磁兼容的類(lèi)別采取不同的措施。對(duì)于易產(chǎn)生干擾的電路可采取減小干擾或者隔離干擾電路的措施。本身不產(chǎn)生干擾，但是對(duì)干擾又敏感的電路應(yīng)與干擾電路隔離開(kāi)來(lái)。與干擾無(wú)關(guān)的電路根據(jù)實(shí)際情況布，可以不做重點(diǎn)考慮。接口電路需要特別小心，要增加抗干擾的防護(hù)措施來(lái)防止外界的干擾，同時(shí)也要避免將干擾信號(hào)傳到外面。

一般最好將產(chǎn)生干擾的數(shù)字電路與容易受干擾影響的模擬電路分區(qū)布局布線，最好能用隔離帶分割。模擬電路一般容易受干擾，所以將其敏感導(dǎo)線的長(zhǎng)度盡量縮短以提高抗干擾性能。每個(gè)模擬電路與數(shù)字電路的連線應(yīng)經(jīng)過(guò)隔離濾波器，對(duì)線上的干擾提供足夠大的衰減。

5、總結(jié)

PCB設(shè)計(jì)中的抗干擾是一項(xiàng)實(shí)踐性較強(qiáng)的技術(shù)工作，且必須理論聯(lián)系實(shí)際，才能有效的解決實(shí)際問(wèn)題，所以PCB設(shè)計(jì)人員必須具備一些電磁兼容相關(guān)方面的知識(shí)。良好的PCB設(shè)計(jì)可以會(huì)有效的抑制一些干擾，大幅度提供系統(tǒng)的抗干擾能力，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

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[2] 王振華, 張學(xué)平.電磁兼容技術(shù)在PCB抗干擾設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國(guó)無(wú)線電, 2006,(2):60-63.

[3] 俞海珍, 馮浩.電磁兼容技術(shù)及其在PCB設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子機(jī)械工程, 2004, 20(2):1-3.

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An Outline for the PCB EMC design

Li Yanqing1, Ma Yong2
(1.Xi’an Lande New Energy Vehicle Technology Development Co., Ltd., Shanxi Xi’an 710043;
2.Shanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shanxi Xi’an 710200）

This paper introduces the concepts of Electromagnetic Compatibility, then discusses the common PCB design electromagnetic compatibility, and from several aspects The PCB EMC design, and practical application in terms of anti-jamming circuit design.

PCB; electromagnetic compatibility; layout; interference

U463.6

B

1671-7988(2014)11-01-03

李延慶，就職于西安蘭德新能源汽車(chē)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司。