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境中能正常工作且不對該環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的干擾，使電子設備在特定的電磁環境中能夠正常工作，又能減少電子設備本身對其它電子設備的電磁干擾。隨著電子設備的靈敏度越來越高，接受微弱信號的能力越來越強，電子產品頻帶越來越寬，尺寸越來越小，要求電子設備抗干擾能力越來越強。一些電子設備工作時所產生的電磁波，容易對周圍的其它電子設備形成電磁干擾，引發故障或者影響信號的傳輸。另外，過度的電磁干擾會形成電磁污染，危害人們的身體健康，破壞生態環境。文章就PCB（印刷電路板，又叫印刷線路板）設計中電磁兼容的幾種關鍵技術進行分析。
　　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，一方面電源中產生的無用信號會很容易地耦合到各功能單元中去，另一方面，一個單元中的無用信號可能通過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，盡量加粗電源線寬度，減少環路電阻，使電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一致；同時，在多層PCB中采用電源層和地層，減少電源線到電源層或地層的線長。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）在交直流干線上使用電源濾波器，以防外部干擾通過電源進入設備，防止開關瞬變和設備內部產生的其它信號進入初級電源，有效隔離電源的輸入和輸出線及濾波器的輸入和輸出線；
　　（4）對電源進行有效的電磁場屏蔽，盡可能把高壓電源同敏感電路隔離開，特別是開關電源，它會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，同時保證穩壓器有足夠快的響應時間，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。無論什么情況下必須保證不使鐵芯驅動到飽和狀態，變壓器鐵芯結構應優選D型和C型，E型最次之。
　　2  地線設計
　　地線噪聲，即在系統內各個部分的地線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題，在設計產品的接地過程中必須針對PCB的特點選擇相應的接地方法。在電子產品設計中，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使用，可解決大部分干擾問題。電子產品中地線結構大致有系統地、機殼地、數字地和模擬地等。在地線設計中應注意以下幾點：
　�。�1）接地線應盡量加粗。若接地線條很細，則接地電位會隨電流的變化而起伏，致使電子產品的定時信號電平不穩，抗噪聲性能降低。因此設計時應將接地線盡量加粗，使它能通過三倍于印制電路板的允許電流。如有可能，接地線的寬度應大于3mm.
　�。�2）正確選擇接地方法。單點接地設置目的是為了防止來自兩個不同的參考電平的子系統中的電流與射頻電流經過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，通常采用多點接地法。多點接地最重要的是要求接地引線的長度最小，因為更長的引線意味著更大的電感，從而增加地阻抗，引起地電位差�；旌辖拥亟Y構是單點接地和多點接地的復合。在PCB中存在高低混合頻率時常用這種結構，即在低頻處呈現單點接地，而在高頻處則呈現多點接地。
　�。�3）數字地與模擬地分開。電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應使它們盡量分開，兩者的地線不要相混，應分別與電源端地線相連。低頻電路的地線應盡量采用單點并聯接地，實際布線有困難時可部分串聯后再并聯接地。高頻電路宜采用多點串聯接地，地線應短而粗，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。要盡量加大線性電路的接地面積。
　�。�4）接地線構成閉環路。設計只由數字電路組成的印制電路板的地線系統時，將接地線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，因受接地線粗細的限制，會在地線上產生較大的電位差，引起抗噪能力下降，若將接地線構成環路，則會縮小電位差值，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。光纖連接幾乎沒有寄生電容，但價高，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生一個交流分量，從而消去進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從高頻器件進入配電網絡中的RF能量，去耦電容的主要作用是提供一個局部的直流電源給元器件，以減少開關噪聲在板上的傳播，和將噪聲引導到地。
　　3.1電容的選擇
　　選擇旁路和去耦電容，可通過邏輯系列和所使用的時鐘速度來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，產品設計也常常采用并聯去耦電容來提供更大的工作頻帶，減少接地不平衡。并聯電容系統，當工作頻率高于自諧振頻率時，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，而且此時整個電容電路的阻抗比單獨一個電容時的阻抗要小。
　　3.2旁路電容配置
　　旁路電容一般作為高頻旁路器件來減少對電源模塊的瞬態電源要求，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、高速開關電路和具有長引線的電源，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）原則上每個集成電路芯片都應布置一個0.01pF的瓷片電容，如遇印制板空隙不夠，可每4~8個芯片布置一個1~10pF的鉭電容；
　�。�3）對于抗噪能力弱、關斷時電源變化大的器件，如RAM、ROM存儲器件，應在芯片的電源線和地線之間直接接入去耦電容；
　　（4）電容引線不能太長，尤其是高頻旁路電容不能有引線；
　�。�5）在印制板中由于有接觸器、繼電器、按鈕等元件，操作時均會產生較大火花放電，必須采用RC電路來吸收放電電流。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化混合信號電路板設計的關鍵。不能僅僅考慮信號電流從哪兒流過，而忽略了電流的具體路徑。如果必須對地線層進行分割，而且必須通過分割之間的間隙布線，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，從而使形成的環路面積很小。混合信號PCB設計過程要注意以下幾點：
　�。�1）將PCB分區為獨立的模擬部分和數字部分，實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，模擬信號只能在電路板的模擬部分布線；
　�。�4）布線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要位于緊鄰大面積地的布線層上；
　�。�5）分析返回地電流實際流過的路徑和方式；
　�。�6）采用正確的布局、布線規則。
　　總之，隨著電子產品復雜化、高速化、密集化，對PCB板的設計要求越來越高，特別是電磁兼容的設計問題越來越突出，而解決電磁兼容的關鍵問題在于對電源、地、旁路、去耦和混合信號電路等合理的設計。

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