電磁兼容原理、方法及設計的科普好文（二）

3、PCB設計技術

除了元器件的選擇和電路設計外，良好的印制板（PCB）布線在電磁兼容設計中也是一個非常重要的因素。既然PCB是系統(tǒng)的固有成分，在PCB布線中增強電磁兼容性不會給產(chǎn)品的*終完成帶來附加費用，從這一點來說也是非常經(jīng)濟的。
3.1注意電磁兼容設計的帶寬

在EMC中，除了基本頻率外，還需考慮諧波因素，通常取十倍頻，但在數(shù)字電路中卻有些不同，比如在時鐘電路和邏輯門電路中，輻射帶寬與數(shù)字信號的上升沿或下降沿有關系，而不是數(shù)字信號的重復周期，其關系為：rtFp/1max=，其中rt是脈沖的上升沿時間。例如，典型時鐘驅動的邊沿速率是2ns，此時，maxF≈160MHz，再考慮十倍頻，則此時鐘電路可能產(chǎn)生直到1.6GHz的輻射帶寬。所以在選擇器件時要選擇慢速的邏輯器件系列，因為器件對電磁輻射貢獻的大小與工作頻率無直接關系而只取決于邊沿速率（這和從電路功能設計上選擇快速器件是矛盾的，在電路設計時需要折中考慮）。還有從器件的抗擾能力上來說，CMOS器件是*好的，因為它的噪聲容限高。從封裝上來說，BGA是*好的，因為它的引線很短。脈沖信號的頻譜如圖3所示。

 

3.2注意用于PCB電磁兼容設計的電路與電路原理圖不同

主要是由于PCB的電路原理圖沒有考慮電路中元件及PCB線條的分布參數(shù)，如分布電感，分布電容，分布互感，分布互電容以及傳輸延遲等項。例如導線在高頻時等效于電感和電阻的串聯(lián)。開關速度越高，對負載阻抗的要求就越高，要求時鐘驅動器的輸出阻抗必須等于時鐘線條的波阻抗，通常時鐘驅動器都要加串聯(lián)電阻，經(jīng)驗值一般為10～30Ω。

3.3注意PCB布線原則

（1）20-H原則，決定印制線條間的距離，表述如下：所有的具有一定電壓的PCB都會向空間輻射電磁能量（如圖4a），為減小這個效應，PCB的物理尺寸都應該比*靠近的接地板的物理尺寸小20H（其中H是兩層PCB的間距），即3mm左右，這樣可使輻射強度下降70%（如圖4b）。20-H原則示意圖如圖4所示：

 

根據(jù)工程實際經(jīng)驗，采用20-H規(guī)則后會大大提高PCB的自激頻率。

（2）3-W原則，它決定PCB的電源層與邊沿的距離，表述如下：當兩條印制線的間距較小時，兩線之間會發(fā)生電磁串擾，從而使電路功能失常。為避免這種影響，應保持任何線條間距不小于三倍的印制線條寬度，即3W，W為印制線條寬度。印制線條的寬度取決于線條阻抗的要求。

（3）保證信號在PCB上可靠的傳輸，確保信號的完整性。這里面主要的問題一般包括時延、阻抗不匹配、地彈跳、串音等。這不但影響到電子器件的穩(wěn)定工作，還會產(chǎn)生電磁干擾。一般在高速邏輯設計中*容易碰到時延問題，處理不好會產(chǎn)生不希望的脈沖干擾。傳輸時延對信號的影響如圖5所示。

 

3.4注意確定PCB布線層數(shù)

首先在設計中要有一個重要的概念，就是每個布線層*好與實平面（電源或接地）相鄰。原則：

（1）電源平面應靠近接地平面并且安排在接地平面之下。這樣可以利用兩金屬平板之間的電容作電源的平滑電容，同時地平面還可以對電源面的輻射電流起到屏蔽的作用。

（2）數(shù)字電路和模擬電路分開。數(shù)字地和模擬地之間可以不開槽，但須有一個完整的統(tǒng)一的地平面，且嚴格按數(shù)字部分和模擬部分分區(qū)。

（3）中間層的印制線條形成平面波導，在表面層形成微帶線，兩者傳輸特性不同。

（4）電路尤其高頻電路是主要的干擾和輻射源，一定要單獨安排，遠離敏感電路。

（5）信號面應安排與整塊金屬平面相鄰，這樣是為了產(chǎn)生通量對消作用。

（6）不同層所含的雜散電流和高頻輻射電流不同，布線時應區(qū)別對待。對于雜散電流可以用去耦電容，對于高頻輻射電流可以通過減小回路面積。

以下是常見的PCB層設計，供參考（S表示信號層，G表示地層，P表示電源層）。四層板：S1，G，P，S2

六層板：S1，G，S2，P，G，S3

八層板：S1，G，S2，G，P，S3，G，S4

十層板：S1，G，S2，S3，G，P，S4，S5，G，S6（但S4對電源噪聲敏感）

3.5注意PCB接地設計

1）首先，要建立分布參數(shù)的概念。高于一定頻率時，任何金屬導線都可看成是由電阻和電感構成的器件，所以，接地引線具有一定阻抗并且構成電氣回路，不管是單點接地還是多點接地都必須構成低阻抗回路進入真正地或機架。

2）接地方法

（1）單點接地。如果元件，電路的工作頻率小于1MHz時，單點接地是很好的方式，但當頻率升高時，連接線電感作用突出，此時接地阻抗將升高，當接地線的長度為周期信號四分之一波長的奇數(shù)倍時，不但阻抗高，還會成為輻射電磁能量的天線。

（2）多點接地。高頻電路均采用多點接地，此時可使接地阻抗達到*小，可將射頻電流由接地平面分流到金屬地板上去，因為實體金屬板有較低的電感分量會形成低阻抗回路。

（3）數(shù)字電路應當作為高頻模擬電路處理，也應該保持低電感接地，并使用高質量退耦電容（0.1uF并聯(lián)0.001uF相差兩個數(shù)量級）接地。

（4）接地與信號回路，射頻電流總要找一條道路回饋到起始點去，在電磁兼容設計中，通?？偸鞘垢咚龠壿嬰娐繁M可能靠近底版，接地板安裝，以便更好減少高頻輻射環(huán)路。接參考地的地線長度一定要很短，短到產(chǎn)品*高工作頻率的λ/20以內。

（5）接地次序，由于一般是電源地騷擾（或噪聲）*大，故它應先接到參考地（這樣做的目的是讓參考地先把騷擾吸收掉），然后再送到模擬地和數(shù)字地上去。

3.6注意PCB中電容的設計

EMC中的電容可分為退耦電容，旁路電容，和容納電容。退耦電容主要是用來濾除高頻器件在電源板上引起的輻射電流，為器件提供一個局域化的直流，還能減低印制電路中的電流沖擊的峰值，通常陶瓷電容被用來作為退耦電容，其值取決于*快信號的上升時間和下降時間例如，對于33MHz的時鐘信號，可以使用4.7uF到100uF的電容，對于100MHz的時鐘信號，可以使用10uF的電容；另外，工程上也要考慮ESR對退耦能力的影響，一般選擇ESR值低于1歐姆的電容。旁路電容能消除高頻輻射噪聲，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10-470uF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。容納電容是用來解決開關器件工作時電源電壓會發(fā)生突降的問題。

總之，選擇電容時，不但應該選擇溫度系數(shù)好的，還要選擇等效串聯(lián)電感小的（小于10nH）和等效串聯(lián)電阻小的（小于0.5Ω）電容。從材質上說，低于50MHz時一般選擇Z5U材質，它性能穩(wěn)定，介電常數(shù)大，電容容量大，大于50MHz時一般選擇NPO材質，它介電常數(shù)小。通常工程上的實際做法是一大一?。ㄖ鸽娙葜担﹥蓚€電容并聯(lián)使用。

3.7注意PCB過孔的設計

在布線時盡量少穿過孔，因為過孔阻抗和線阻抗不一樣，存在阻抗突變，從而產(chǎn)生駐波使信號變壞，容易形成輻射，尤其是在時鐘需要穿層時，要做技術處理，時鐘線跨層時的處理如圖6所示。