印制电路板上的电磁干扰及抑制

中心论题：

• 如何抑制电源布线产生的电磁干扰
• 如何抑制信号布线产生的电磁干扰

解决方案：

• 使用电源平面法、共地平面法和电源母线法抑制电源布线电磁干扰
• 增大信号线之间的距离，减小信号线与地之间的距离抑制信号布线电磁干扰
• 设计印制电路板应遵循一定原则来抵抗电磁干扰

印制电路板是电子线路中电子元件的支托部件，它提供了电路中元器件之间的电气连接。随着电子技术的飞跃发展，电子系统特别是高频电路中逻辑和系统时钟频率的迅速提高和信号边沿不断变得陡峭，由此产生的电磁干扰(通常称为噪声)越来越突出，抗干扰问题越来越引起人们的重视。而抑制电磁干扰应从电子产品制作的初级阶段开始，从印制电路板的布线制作着手。印制电路板的布线设计，既要考虑减少电子系统的电磁干扰，又要做到提高电子系统抗干扰的能力，防止电磁干扰的吸收和传递，即需做到电磁兼容。
　　
本文主要讨论在印制电路板的布线设计中电源布线和信号布线的电磁干扰问题。若两种布线设计不好，电磁干扰将直接影响着自身或别的电子设备或系统的工作性能，严重时还会使人们的生命财产受到威胁。
　　
电源布线产生的电磁干扰及干扰的抑制
a.电源布线产生的电磁干扰
电源布线会产生分布电容、分布电感、分布电阻。印制电路板上供电电源通常为直流电源，供电的主要目的是为印制电路板上的每个用电元器件提供一个准确的电压。而电源所驱动的负载常具有瞬态变化的特性，受分布阻抗的影响，负载电压或电流的瞬态变化会引起电源电压或电流发生瞬态变化，这如同在电源的负载端接上一个瞬态变化的信号源。特别是在高频，有的器件工作在数字开关状态，这一现象更为突出。这样电源布线既含有直流电压，又含有瞬态变化的电压(称为寄生电压)，瞬变电压会产生高次谐波，其都是产生电磁干扰的主要来源[2]81-82。在高频时，电源布线可被看成传输线[3]41，电源布线某点上的干扰电压或电流在分布电容和分布电感的相互作用下产生振荡，影响电路的稳定工作。
　　
目前在电子、电器、信息领域应用较多的开关电源具有节能和高效的优势，开关电源向着高频化、小型化发展，应用日趋广泛。但开关电源中功率管在高压下以高频开关方式工作。高频开关和电流接近方波，这些方波信号中含有丰富的高次谐波噪声。开关电源的高频器件在通断时，常常产生高频高压的尖峰振荡波，通过分布电容向空间辐射[2]73。同时与电源一起工作的整流二极管也会产生高频干扰，一般离电源较近，容易通过直流输出线向外辐射电磁干扰。
　　
电源布线同时也是电磁干扰的接收器，外来的干扰噪声也会耦合到电源布线中，通过传导，传给所连接的电子器件。
　　
b.电源布线的防干扰措施
电源布线可采取以下抗干扰措施：
1.电源平面法
利用印制电路板的一层作为电源平面层，至少有一层作为地平面，每一层只能提供一种电源电压，通过印制电路板上的过孔将电源电压引到器件上。这种做法使电源布线分布阻抗非常小，电路压降小，器件上能得到稳定的直流电压[2]83。同时平面间靠得很近，能较好地抑制电场耦合。且电源平面往返电流大小相等，磁场干扰能抵消。但这种布线成本高，多用在高速系统中，若需几种电压，将需增加平面层数，成本更高。

2.共地平面法
这个地作为电源及电子器件的公共地，高频布线设计中，电流的返回路径对系统的影响比较大，由于是平面地，电源及所有信号(包括发送和接收)返回路径的附加阻抗非常小，压降可忽略，各器件上就能得到稳定的电源电压。同时，所有的电源去线与信号线都与平面地成镜像关系，形成的电流也是镜像电流，电磁干扰耦合得到较好地抑制。

3.电源母线法
这种布线设计可分别提供几种电压。布线的条数由器件的多少而定。这种布线比上述两种布线方法抗电磁干扰能力稍差，但成本小。这种布线要达到以下要求：

(1)布线要宽。

(2)加去耦电容。这种电容起到旁路滤波的作用。要在电源的输入端并联较大的和较小的滤波电容。在高频时，实际的电容器相当于带通滤波器，它可等效为电感、电阻和电容的串联，较大的和较小的电容并联使用，目的是增加旁路滤波的带宽。同时，在每一个有源器件的电源引脚与地之间也要并联一个电容器，容量一般在0.01 μF～0.1 μF，这个并联电容相当于噪声滤波器，能滤掉高频谐波噪声[1]89-91。

(3)地线环绕，作为母线中的地线可以不等宽，但宽窄过渡要平滑，以避免产生噪声，地线要靠近供电电源母线和信号线，因电流沿路径传输会产生回路电感[2]92，地线靠近，回路面积减小，电感量减小，回路阻抗减小，从而减小电磁干扰耦合。
　　
信号布线产生的干扰及干扰的抑制 　　
电磁干扰的存在必须具有三个条件，一是电磁干扰源，例如：工作中的高频大功率器件，二是电磁干扰敏感件，三是电磁干扰的传播途径，例如信号布线和电源布线[1]2，前两种可采用屏蔽的方法以防止电磁干扰的辐射(对要求实现向外辐射电磁能量功能的电子产品除外)和吸收。
　　
布线设计处在印制电路板制作的最早阶段，此时融入的电磁兼容的自由度最大，所用成本最低，必须充分考虑它的电磁兼容性能。信号布线同样有分布电感、分布电容和分布电阻，它们代表了干扰耦合路径的分布参数，这些分布参数随信号频率的增加而增大。
　　
只要两条线有电位差，两条线间就会存在电场。假设三条导线，A、B分别为信号线，D为地线，C〢D为A的分布电容，若A的电位比B的高，B处在A的某个或某些等位面上，A中的电位就会与B发生耦合，这种电场耦合为容性耦合。同理B与A也可能产生这种耦合。抑制容性耦合的方法：一是要增大两布线导线间的距离(大于干扰信号最大波长的四分之一)[2]9，二是要减小信号线与地之间的距离。
　　
若A、B两导线靠近，当导线A中有电流时，它的周围就存在着磁场，磁感线就会有一部分环绕到导体B组成的回路中，B回路就被感应出感生电流，这种磁场干扰耦合属于感性干扰(互感)耦合。同时，若A导线中的电流发生变化，还会存在自感，也会产生感性干扰(自感)耦合。抑制感性干扰耦合的方法：一是增大信号线与信号线之间的距离，以减小互感，原因是互感系数与距离成反比[4]224。二是减小信号线与地之间的距离，以减小信号线与地之间围成的磁通面积。减小线地距离外，还应尽量避免信号线的平行布设。
　　
印制电路板上还存在其他干扰，如温度噪声。
　　
印制电路板在考虑抗电磁干扰方面应遵循的原则 　　

• 首先考虑整个电路板的尺寸，不使用比实际需要更大的印制电路板。
• 不同功能的单元电路(如数字电路与模拟电路，高频与低频)分开设置，布线图形应易于信号流通且使信号流向尽可能保持一致。
• 印制导线尽可能短而宽。它的最小宽度应以能承受电流的大小(一般是额定电流的2—3倍)而定，但最小宽度不宜小于0.2 mm。在高密度、高精度的印制线路中，导线宽度和间距一般可取0.3 mm，地线宽度最小为2 mm。印制导线的拐弯应成圆角，各层电路板的导线应相互垂直，斜交(或弯曲走线)，避免相互平行。
• 合理使用屏蔽和滤波技术，注意高低压之间的隔离。
• 元件的选用，尽量不选用比实际需要的速度更快的元件，在元件的位置安排上，易受电磁干扰的元器件不能相距太近，应大于信号波长的四分之一，输入器件与输出器件尽量远离。
• 做到安全接地。低频电路(1 MHz以下)可用单点并联接地。这种接地方式可使各电路的电流流过导线时所产生的压降互不影响，不会形成干扰，但这种接地方式对复杂系统实现起来很麻烦。常用的是串联单点接地，但这种方式中各电路的电流要流过一个公共的阻抗，各电路接地点所产生的压降会对各电路造成不同程度的干扰。高频电路(10 MHz以上)必须采用多点接地。一个复杂的电子系统会存在电源地、信号地和屏蔽地，应把它们接到公共的地线上。