印刷電路板的電磁兼容設(shè)計(jì)

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電磁兼容指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。電磁兼容性設(shè)計(jì)的目的是使電子設(shè)備既能抑制各種外來(lái)的干擾，使電子設(shè)備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，又能減少電子設(shè)備本身對(duì)其它電子設(shè)備的電磁干擾。隨著電子設(shè)備的靈敏度越來(lái)越高，接受微弱信號(hào)的能力越來(lái)越強(qiáng)，電子產(chǎn)品頻帶越來(lái)越寬，尺寸越來(lái)越小，要求電子設(shè)備抗干擾能力越來(lái)越強(qiáng)。一些電子設(shè)備工作時(shí)所產(chǎn)生的電磁波，容易對(duì)周圍的其它電子設(shè)備形成電磁干擾，引發(fā)故障或者影響信號(hào)的傳輸。另外，過(guò)度的電磁干擾會(huì)形成電磁污染，危害人們的身體健康，破壞生態(tài)環(huán)境。文章就PCB（印刷電路板，又叫印刷線路板）設(shè)計(jì)中電磁兼容的幾種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。
　　1 電源的設(shè)計(jì)
　　電子設(shè)備的電源廣泛地同其它功能單元相連，一方面電源中產(chǎn)生的無(wú)用信號(hào)會(huì)很容易地耦合到各功能單元中去，另一方面，一個(gè)單元中的無(wú)用信號(hào)可能通過(guò)電源的公共阻抗耦合到其它單元去。因此，在電源設(shè)計(jì)中應(yīng)采取以下措施。
　　（1）根據(jù)印刷電路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻，使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致；同時(shí)，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(zhǎng)。這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力；
　　（2）在可能的條件下，使電源單獨(dú)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(guò)電源進(jìn)入設(shè)備，防止開(kāi)關(guān)瞬變和設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的其它信號(hào)進(jìn)入初級(jí)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(duì)電源進(jìn)行有效的電磁場(chǎng)屏蔽，盡可能把高壓電源同敏感電路隔離開(kāi)，特別是開(kāi)關(guān)電源，它會(huì)引起高頻輻射和傳導(dǎo)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(duì)所有電路功能狀態(tài)電源都應(yīng)保持低輸出阻抗，即使在射頻范圍，輸出電容也應(yīng)呈現(xiàn)低阻抗，同時(shí)保證穩(wěn)壓器有足夠快的響應(yīng)時(shí)間，以便抑制高頻紋波和瞬變加載作用；
　　（6）整流二極管應(yīng)工作在最低的電流密度上，為穩(wěn)壓二極管提供足夠的射頻旁路；
　　（7）電源變壓器應(yīng)該是對(duì)稱平衡的，而不應(yīng)該是功率配平的變壓器，所用鐵芯材料應(yīng)取其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（Bm）的下限值。無(wú)論什么情況下必須保證不使鐵芯驅(qū)動(dòng)到飽和狀態(tài)，變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)選D型和C型，E型最次之。
　　2  地線設(shè)計(jì)
　　地線噪聲，即在系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部分的地線之間出現(xiàn)電位差或因存在接地阻抗而引起接地噪聲。由于接地系統(tǒng)存在地電位差的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的接地過(guò)程中必須針對(duì)PCB的特點(diǎn)選擇相應(yīng)的接地方法。在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，接地是控制干擾的重要方法，如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來(lái)使用，可解決大部分干擾問(wèn)題。電子產(chǎn)品中地線結(jié)構(gòu)大致有系統(tǒng)地、機(jī)殼地、數(shù)字地和模擬地等。在地線設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
　　（1）接地線應(yīng)盡量加粗。若接地線條很細(xì)，則接地電位會(huì)隨電流的變化而起伏，致使電子產(chǎn)品的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能降低。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將接地線盡量加粗，使它能通過(guò)三倍于印制電路板的允許電流。如有可能，接地線的寬度應(yīng)大于3mm.
　　（2）正確選擇接地方法。單點(diǎn)接地設(shè)置目的是為了防止來(lái)自兩個(gè)不同的參考電平的子系統(tǒng)中的電流與射頻電流經(jīng)過(guò)同樣的返回路徑而導(dǎo)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(diǎn)接地法。多點(diǎn)接地最重要的是要求接地引線的長(zhǎng)度最小，因?yàn)楦�長(zhǎng)的引線意味著更大的電感，從而增加地阻抗，引起地電位差。混合接地結(jié)構(gòu)是單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的復(fù)合。在PCB中存在高低混合頻率時(shí)常用這種結(jié)構(gòu)，即在低頻處呈現(xiàn)單點(diǎn)接地，而在高頻處則呈現(xiàn)多點(diǎn)接地。
　　（3）數(shù)字地與模擬地分開(kāi)。電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開(kāi)，兩者的地線不要相混，應(yīng)分別與電源端地線相連。低頻電路的地線應(yīng)盡量采用單點(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。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)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(gòu)成閉環(huán)路。設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印制電路板的地線系統(tǒng)時(shí)，將接地線做成閉路可以明顯地提高抗噪聲能力。因?yàn)橛≈齐娐钒迳嫌泻芏?a href="http://m.qingdxww.cn/keyword/集成電路" target="_blank" class="relatedlink">集成電路元件，尤其遇有耗電多的元件時(shí)，因受接地線粗細(xì)的限制，會(huì)在地線上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪能力下降，若將接地線構(gòu)成環(huán)路，則會(huì)縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。
　　（5）使用光隔離器切斷地環(huán)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(méi)有寄生電容，但價(jià)高，安裝、維護(hù)不便。
　　3  旁路與去耦設(shè)計(jì)
　　旁路是從元件或電纜中轉(zhuǎn)移不想要的共模RF能量，旁路電容的主要功能是產(chǎn)生一個(gè)交流分量，從而消去進(jìn)入易感區(qū)的那些不需要的能量，而去耦則是指去除在器件切換時(shí)從高頻器件進(jìn)入配電網(wǎng)絡(luò)中的RF能量，去耦電容的主要作用是提供一個(gè)局部的直流電源給元器件，以減少開(kāi)關(guān)噪聲在板上的傳播，和將噪聲引導(dǎo)到地。
　　3.1電容的選擇
　　選擇旁路和去耦電容，可通過(guò)邏輯系列和所使用的時(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。
　　3.2旁路電容配置
　　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(tài)電流要求，一般在10~470LF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)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(gè)集成電路芯片都應(yīng)布置一個(gè)0.01pF的瓷片電容，如遇印制板空隙不夠，可每4~8個(gè)芯片布置一個(gè)1~10pF的鉭電容；
　　（3）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；
　　（4）電容引線不能太長(zhǎng)，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(shí)均會(huì)產(chǎn)生較大火花放電，必須采用RC電路來(lái)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(yīng)，因此在使用時(shí)對(duì)不用端要接地或接正電源。
　　4  混合信號(hào)電路板的設(shè)計(jì)
　　了解電流回流到地的路徑和方式是優(yōu)化混合信號(hào)電路板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。不能僅僅考慮信號(hào)電流從哪兒流過(guò)，而忽略了電流的具體路徑。如果必須對(duì)地線層進(jìn)行分割，而且必須通過(guò)分割之間的間隙布線，可以先在被分割的地之間進(jìn)行單點(diǎn)連接，形成兩個(gè)地之間的連接橋，然后通過(guò)該連接橋布線。這樣，在每一個(gè)信號(hào)線的下方都能夠提供一個(gè)直接的電流回流路徑，從而使形成的環(huán)路面積很小。混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)過(guò)程要注意以下幾點(diǎn)：
　　（1）將PCB分區(qū)為獨(dú)立的模擬部分和數(shù)字部分，實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字電源分割，A/D轉(zhuǎn)換器跨分區(qū)放置；
　　（2）不要對(duì)地進(jìn)行分割。在電路板的模擬部分和數(shù)字部分下面敷設(shè)統(tǒng)一地；
　　（3）在電路板的所有層中，數(shù)字信號(hào)只能在電路板的數(shù)字部分布線，模擬信號(hào)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(hào)線要位于緊鄰大面積地的布線層上；
　　（5）分析返回地電流實(shí)際流過(guò)的路徑和方式；
　　（6）采用正確的布局、布線規(guī)則。
　　總之，隨著電子產(chǎn)品復(fù)雜化、高速化、密集化，對(duì)PCB板的設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高，特別是電磁兼容的設(shè)計(jì)問(wèn)題越來(lái)越突出，而解決電磁兼容的關(guān)鍵問(wèn)題在于對(duì)電源、地、旁路、去耦和混合信號(hào)電路等合理的設(shè)計(jì)。

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