浅谈PCB板的电磁兼容设计

一、引言

印制电路板（PCB），易于制作，性能可靠，价格便宜，因而广泛应用于各种电子设备过程中。近年来，随着电子技术的迅速发展，印制电路板上的微处理器和逻辑电路中的时钟速率越来越快，信号的上升/下降时间越来越短。同时，板上期间密度和布线密度不断增加，导致印制电路板电磁干扰问题更加严重，PCB板的电磁兼容问题日益突出。

二、电磁干扰与电磁兼容概述

电磁干扰（Electro Magnetic Interference, EMI）是指任何能引起装置、设备或系统性能下降或对无生命物质产生损害作用的电磁现象。

电磁干扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒质自身的变化。有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合（干扰）到另一个电网络；辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合（干扰）到另一个电网络。

电磁兼容（EMC）是指设备或系统在其辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合（干扰）到另一个电网络。环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。

简单的说，电子产品在通电工作时，既不通过传导、辐射、耦合等方式向外部发出超过标准规定的电磁干扰；同时又能够承受不定程度的来自外部或系统自身的电磁干扰而正常工作。一个系统满足以下条件，就是电磁兼容性：它不对任何其他系统产生影响；它不易受其他系统的影响；他不会自己干扰自己。

三、电磁兼容性设计在PCB板设计中的重要性

在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁。并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。电子设备和系统的电磁兼容性指标已成为电子设备和系统设计在研制时的一个重要的技术要求。

大量实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如，如果印制板两条西平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声。所以现在有了抑制电子设备和系统的EMI国际标准，统称为电磁兼容（EMC）标准，它们可以作为普通设计者布线和布局时抑制电磁辐射和干扰的准则，对于军用电子产品设计者来说，标准会更加的严格，要求也更加苛刻。国内外的大量实验经验表明，在产品的研制和生产总越早的注意解决电磁兼容性，则越可以节约人力和财力，提高研发的效率。

四、PCB设计过程中可能产生的各种干扰

电子线路干扰可分为两类：内部干扰和外部干扰。内部干扰主要是因为受临近电路之间的寄生耦合以及内部组件之间的场耦合的影响，信号沿着传输路径有所衰减。详细说来，这些问题可以描述为信号丢失、信号沿路径反射以及与邻近信号线路的串话。

外部问题分为辐射问题和敏感度问题。辐射问题主要来源于时钟或其他周期性信号的谐波。补偿的方法是将周期信号局限在一个尽量小的区域并隔离与外界寄生耦合的路径。

对于外部影响的敏感度，例如ESD或无线频率的干扰，主要与耦合到I/O线上并传输到单元内部的能量有关。主要接受器是高速输入线和敏感的相邻线路，尤其是那些边缘的激励器件。

总体说来，印制电路板中的电磁干扰问题可以概括为公共阻抗耦合、串扰、高频载流导线产生的辐射，以及印制线条对高频辐射的感应等。

对于PCB板设计中的EMC分析主要考虑5点：
· 频率：问题在频谱的哪部分出现？
· 振幅：能量级别有多强，它导致有害影响的潜力有多大？
· 时间：出现的问题是连续的（周期信号），还是只要确定的操作循环内出现？
· 阻抗：源和接收机单元的阻抗是什么？二者之间传输媒质的阻抗是什么？
· 尺寸：导致辐射出现的发射设备的物理尺寸是多少？RF电流将产生电磁场，电磁场可以通过底盘的裂缝透出外壳。PCB上线路的长度与RF电流的传输路径有直接关系。

理解这5条有助于大大消除EMI是如何存在于PCB内的，从而针对性的解决问题。

五、对PCB板进行EMC设计

在电磁兼容层面分析印制电路板，要考虑三个基本问题：保证信号在板上可靠地传输，确保信号的完整性（Signal Integrity）；抑制电磁干扰EMI的传播；加强防护，防止因为抗扰度不足引起灵敏度故障（Susceptibility Failure）。

电源线地线之间应留出一定的空间，要是多层板尽量分开走线，不要在同一层，要安装高频特性好的去耦电容。下面具体介绍一下：

（一）：电路板整体布局及器件布置

（1）慎重选用器件。使用CMOS低速器件一般不会出现辐射问题，对于高频电路因考虑选用适宜的LSI，它不仅能缩小组建的面积而且内部面积小可减少电路辐射，辐射电平相对较低。

（2）PCB布局在器件布置方面与其他逻辑电路一样，应把相互有关的器件尽量放的靠近一些，这样会获得较好的抗噪声效果。大量的实践表明，采用合理的器件排列方式，可以有效的降低印制电路板升温，从而使器件和设备的故障明显的下降。

（3）印制板大小要适中，过大的印制板线条长，阻抗增加，不仅抗噪声能力下降，成本也高；过小，则散热不好，同时易受到临近线条的干扰；电路板的最佳性能为矩形。长宽的比例为4：3或者3：2最佳。

（二）、PCB布局轴线对EMC的影响

走线：低频时=导线；高频时=电感
走线宽度变化：走线电阻正比于1/w；走线电感正比于1/w
走线电容：两导线间产生的电场取决于：几何尺寸兼具PCB材质（e和r）

（1）在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。如果能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。电子设备中接地线结构大致有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和仿真地等。

（2）妥善布置导线。高速信号要用短线，信号线和信号回路所形成的环路面积要最小；主要信号线最好汇集在板的中央；时钟发生电路力求在靠近中央的部位；两条信号线切忌平行，应采取垂直交叉或者拉开两线之间的距离，也可以在两平行的信号线间增设一条底线，这样可以信号线间的串扰。

（三）、抑制电源线和地线阻抗英气的震荡

（1）当印制电路板上有较多的集成电路器件时，可采用在各个集成器件的电源线和地点间分别介入旁路电容，以缩短开关电流的流通途径；或吧电源线和地线设计成格子状，可显著缩短线路的环路，降低线路阻抗减少干扰。

（2）印制电路板上有很多集成电路组件，尤其遇到耗电多的组件时，因受接地线粗细的限制，会在地结上产生很大的电位差，引起抗干扰噪声能力的下降，若将接地结构成环路，则会缩小点位差值，提高电子设备的抗噪声能力。故设计只有数字电路组成的印制电路板的地线系统时，将接地线做成死循环路。

（3）采用正确的布线策略。为了抑制印制板导线之间的串扰，在设计布线时应尽量避免长距离的平行走线，尽可能拉开线与线之间的距离，信号线与地线及电源线尽可能不交叉。在一些对干扰十分敏感的信号线之间设置一根接地的印制线，可以有效地抑制串扰。

（4）抑制反射干扰与终端匹配。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。

（5）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。

（四）：避免印制导线产生的电磁辐射

（1）抑制反射干扰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。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。

（2）屏蔽这是用来隔离空间辐射的，对噪声特别大的部件，如开关电源，用金属盒罩起来，可以减少噪声源对垫片及系统的干扰。对特别怕干扰的模拟电路，如高敏度的弱信号放大电路也可以屏蔽起来。而重要的是金属屏蔽本身必须接真正的地。

（五）、局部屏蔽

对于印制线路板上的强辐射电路或高度敏感电路需要采取局部屏蔽，具体要求：穿过屏蔽界面的导线数量最少；所有穿过屏蔽界面的导线都要滤波。

六、结束语

我在做数电模电实验过程中，经常遇到信号干扰问题，以后的单片机等课程我们会陆续用到Protel软件做PCB板，电磁干扰问题会更多，所以电磁兼容设计尤为重要。要是我们在PCB设计中能遵守本文所罗列的设计规则，就可以解决大部分的电磁兼容问题，再通过少量的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，就可以完成一个满足电磁兼容要求的产品。

七、致谢

首先感谢老师孜孜不倦的教导，提供给我们这次锻炼写论文的机会，让我们对论文要求有了很好的认识，对毕业论文是很大的帮助；其次感谢西北大学图书馆数据库提供大量丰富的资料，帮我完满完成这次期中论文。

八、参考文献

[1]郭银景、吕文红、唐富华、杨阳，《电磁兼容原理及应用教程》，清华大学出版社，2004年4月第一版
[2]何为、杨帆、姚德贵，《电磁兼容原理及应用》，北京交通大学出版社，清华大学出版社，2009年3月第一版
[3]顾海洲、马双武，《PCB电磁兼容技术：设计实践》，清华大学出版社，2004年1月第一版
[4]郭辉萍、刘学观，《电磁场与电磁波》，西安电子科技大学出版社，2004年6月