第二讲 PCB的EMC布线分割、干扰抑制和去耦电容配置

本期大讲台推出EMC工程师网友杨鹏关于高速PCB的EMC设计的学习力作：详细完整的一一剖析高速印制电路板中布局、布线、接地的EMC设计，并通过具体的实际案例，重点介绍高速印制电路板中的I/O端、混合数/模、时钟、电源、信号完整性等电磁兼容设计。全文中所列的设计规则，可以帮助大家在PCB设计中解决大部分的电磁兼容问题，再通过少量外围瞬态抑制器件和滤波电路及适当的外壳屏蔽和正确的接地，就可以轻松完成一个满足电磁兼容要求的产品。

第一讲：PCB元器件的EMC布局设计
第三讲：PCB的EMC布线技术和去耦电容走线实例分析

PCB走线的高频特性

PCB上的走线是有阻抗、电容和电感特性的。

在高频情况下，印刷线路板上的走线、过孔、电阻、电容、接插件的分布电感与电容等不可忽略。电容的分布电感不可忽略，电感的分布电容不可忽略。电阻会产生 对高频信号的反射和吸收。走线的分布电容也会起作用。当走线长度大于噪声频率相应波长的1/20时，就产生天线效应，噪声通过走线向外发射。

印刷线路板的过孔大约引起0.5pF的电容。一个集成电路本身的封装材料引入2~6pF电容。一个线路板上的接插件，有520nH的分布电感。一个双列直插的24引脚集成电路插座，引入4~18nH的分布电感。

这些小的分布参数对于运行在较低频率下的微控制器系统是可以忽略不计的，但对于高速系统必须予以特别注意。

避免PCB走线分布参数影响的措拖如下：

（1）增大走线的间距以减少电容耦合的串扰，遵循3W原则；
（2）平行地布电源线和地线以使PCB电容达到最佳；
（3）将敏感的高频线布在远离高噪声电源线的地方以减少相互之间的耦合；
（4）加宽电源线和地线以减少电源线和地线的阻抗。

PCB布线分割

分割是指用物理上的分割来减少不同类型线之间的耦合，尤其是通过电源线和地线的耦合。

图2给出了用分割技术将4个不同类型的电路分割开的例子。在地线面，非金属的沟用来隔离四个地线面。L和C作为板子上的每一部分的过滤器，减少不同电路电源面间的耦合。
高速数字电路由于其更高的瞬时功率需求而要求放在靠近电源入口处。接口电路可能会需要抗静电放电（ESD）和暂态抑制的器件或电路来提高其电磁抗扰性，应 独立分割区域。对于L和C来说，最好不同分割区域使用各自的L和C，而不是用一个大的L和C，因为这样它便可以为不同的电路提供不同的滤波特性。

             
                                                              图2 PCB地线分割
PCB基准面的射频电流抑制

不管是对多层PCB的基准接地层还是单层PCB的地线，电流的路径总是从负载回到电源。返回通路的阻抗越低，PCB的电磁兼容性能越好。由于流动在负载和 电源之间的射频电流的影响，长的返回通路将在彼此之间产生射频耦合，因此返回通路应当尽可能的短，环路区域应当尽可能的小。

PCB布线分离

布线分离的作用是将PCB同一层内相邻线路之间的串扰和噪声耦合最小化。

所有的信号（时钟，视频，音频，复位等等）在线与线、边沿到边沿间应在空间上远离。为了进一步的减小电磁耦合，将基准地布放在关键信号附近或之间以隔离其他信号线上产生的或信号线相互之间产生的耦合噪声。

PCB电源线设计

根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。

PCB反射干扰抑制

为了抑制出现在印制线终端的反射干扰，除了特殊需要之外，应尽可能缩短印制线的长度和采用慢速电路。

必要时可加终端匹配。终端匹配方法比较多，常见终端匹配方法见图3所示。根据经验，对一般速度较快的TTL电路，其印制线条长于10cm以上时就应采用终端匹配措施。匹配电阻的阻值应根据集成电路的输

出驱动电流及吸收电流的最大值来决定。时钟信号较多采用串联匹配，见图4所示。
 
                             
                                                           图3：常用终端匹配方法

下页内容：PCB的保护分流、及去耦电容配置    

[p]
                                        
                                                                           图4：时钟信号的匹配

PCB保护与分流线路

在时钟电路中，局部去耦电容对于减少沿着电源干线的噪声传播有着非常重要的作用。但是时钟线同样需要保护以免受其他电磁干扰源的干扰，否则，受扰时钟信号将在电路的其他地方引起问题。

设置分流和保护线路是对关键信号（比如：对在一个充满噪声的环境中的系统时钟信号）进行隔离和保护的非常有效的方法。PCB内的分流或者保护线路是沿着关 键信号的线路两边布放隔离保护线。保护线路不仅隔离了由其他信号线上产生的耦合磁通，而且也将关键信号从与其他信号线的耦合中隔离开来。

分流线路和保护线路之间的不同之处在于分流线路不必两端端接（与地连接），但是保护线路的两端都必须连接到地。为了进一步的减少耦合，多层PCB中的保护线路可以每隔一段就加上到地的通路。

PCB去耦电容的配置

在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。例如在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变 的噪声电压。局部去耦能够减少沿着电源干线的噪声传播。连接着电源输入口与PCB之间的大容量旁路电容起着一个低频骚扰滤波器的作用，同时作为一个电能贮 存器以满足突发的功率需求。此外，在每个IC的电源和地之间都应当有去耦电容，这些去耦电容应该尽可能的接近IC引脚，这将有助于滤除IC的开关噪声。

配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是印制线路板的可靠性设计的一种常规做法，配置原则如下：

• 电源输入端跨接10~100μF的电解电容器。如有可能，接100μF以上的更好。 
• 原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01μF的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每4~8个芯片布置一个1~10μF的钽电容。这种器件的高频 阻抗特别小，在500kHz～20MHz范围内阻抗小于1Ω，而且漏电流很小（0.5μA以下）。最好不用电解电容，电解电容是两层溥膜卷起来的，这种结 构在高频时表现为电感。
• 对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入高频退耦电容。
• 电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。

去耦电容值的选取并不严格，可按C=1/f计算：即10MHz取0.1μF。对微控制器构成的系统，取0.1~0.01μF之间都可以。好的高频去耦电容可以去除高到1GHz的高频成份。陶瓷片电容或多层陶瓷电容的高频特性较好。

此外，还应注意以下两点：

• 在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时．操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC吸收电路来吸收放电电流。一般R取1~2kΩ，C取2.2~4.7μF。
• CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要通过电阻接地或接正电源。

第一讲：PCB元器件的EMC布局设计
第三讲：PCB的EMC布线技术和去耦电容走线实例分析