高速PCB EMC设计（1）

【导读】电子元件技术网博主原创文章，介绍了电磁兼容技术在高速印制电路板布局、布线、接地中的应用，并结合实际案例，重点介绍了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EMC设计。

1．引言

印制线路板（PCB）是电子产品中电路元件和器件的支撑件，它提供电路元件和器件之间的电气连接，是各种电子设备最基本的组成部分，它的性能直接关系到电子设备的质量或可靠性。随着电子技术的发展，电子设备的运行速度越来越快，其信号上升沿（或下降沿）在亚纳秒范围的数字电路也越来越普遍。与此同时，电路板上的电子器件密度越来越大，走线越来越窄，不可避免地会引入电磁兼容（EMC）、EMI（电磁骚扰）、信号完整性（SI）、电源完整性（PI）问题。

如果在新产品的研发过程中，急于求成，沿用原来低频或低速电路板的设计经验，产品的稳定性或可靠性可能很差，甚至很难实现产品的正常功能。一个拙劣的PCB布局、布线能导致很多的电磁兼容与信号完整性问题，而不是消除这些问题。在很多例子中，就算加上滤波器和元器件也不能解决这些问题。到最后，不得不对整个板子重新布线。

有关资料显示，90%的电磁兼容问题是由于电路板的布线和接地不当造成的[1]，良好的PCB设计，既能够提高电子设备的抗干扰性能，减小干扰发射，提高传输信号的完整性，并且不增加电路板的生产成本。

高速印制电路板的电磁兼容设计的目的是使板上各部分电路之间没有相互干扰，并使PCB对外的传导发射和辐射发射尽可能降低，达到有关标准要求，并确保高速信号有较好的信号完整性，以及获得良好的电源完整性。因此，学习和运用电磁兼容与信号完整性知识，对于高速印制电路板设计来说，非常有意义。

在高速印制电路板的电磁兼容设计中，重点注意周期性时钟信号、高速信号、混合数/模电路、高速信号线的信号完整性、供电电源的电源完整性设计，以及I/O端的接地与滤波设计。

2．布局设计

印制电路板上元器件布局不当是引发干扰的重要因素,所以应全面考虑电路结构,合理布置板上元器件。首先根据元器件布置需要确定印制电路板的大小和形状。尺寸过大会使印制导线加长,增加阻抗,降低噪声容限;尺寸过小不利于散热,邻近导线、器件易发生感应。

在板上布置元器件,原则上应将输入输出部分，分别布置在板的两极端;电路中相互关联的元器件尽量靠近,以缩短元器件之间连接导线的距离;工作频率接近或工作电平相差大的元器件应相距远些,以免相互干扰，例如常用的以单片机为核心的小型开发系统电路,在设计和绘制印制电路板图时,宜将时钟发生器、振荡器等易产生噪声的器件相互靠近布置,将有关逻辑电路部分尽量远离一些。同时,考虑印制电路板在柜内的安装方式,最好将ROM、RAM、功率输出器件及电源等易发热元器件布置在板的边缘或偏上方部位,以利于散热。

在板上布置逻辑电路,原则上应在输出端附近放置高速电路,例如光电隔离器等,稍远处放置低速电路和存储器等,以便处理公共阻抗耦合、辐射和串扰等问题;在输入输出端放置缓冲器,用于板间信号传送,可有效防止噪声干扰。

电子设备中数字电路、模拟电路以及电源电路的元件布局和布线其特点各不相同，它们产生的干扰以及抑制干扰的方法不相同。

此外高频、低频电路由于频率不同，其干扰以及抑制干扰的方法也不相同。

所以在元件布局时，应该将数字电路、模拟电路以及电源电路分别放置，将高频电路与低频电路分开。

有条件的应使之各自隔离或单独做成一块电路板。此外，布局中还应特别注意强、弱信号的器件分布及信号传输方向途径等问题。

板上装有高压、大功率器件时,与低压、小功率器件应保持一定间距,尽量分开布线。

在印制板布置高速、中速和低速逻辑电路时，应按照下图所示的方式排列元器件。

在元器件布置方面与其它逻辑电路一样，应把相互有关的器件尽量放得靠近些，这样可以获得较好的抗噪声效果与信号完整性。元件在印刷线路板上排列的位置要充分考虑EMC与SI问题。

原则之一是各部件之间的引线要尽量短。在布局上，要把模拟信号部分，高速数字电路部分，噪声源部分（如继电器，大电流开关等）这三部分合理地分开，使相互间的信号耦合为最小，如上图所示。

时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声，要相互靠近些。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路。如有可能，应另做电路板，这一点十分重要。

2.1 特殊元件放置注意原则

（1）尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。

（2）某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。

（3）重量超过15g的元器件、应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离大功率、大电流等发热元件。

2.2 功能分区

（1）按照电路的流向安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。

（2）以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。

2.3  PCB元器件通用布局要求

电路元件和信号通路的布局必须最大限度地减少无用信号的相互耦合：

（1）低电子信号通道不能靠近高电平信号通道和无滤波的电源线，包括能产生瞬态过程的电路。

（2）将低电平的模拟电路和数字电路分开，避免模拟电路、数字电路和电源公共回线产生公共阻抗耦合。

（3）高、中、低速逻辑电路在PCB上要用不同区域。

（4）使得信号线长度最小。

（5）保证相邻板之间、同一板相邻层面之间、同一层面相邻布线之间不能有过长的平行信号线。

（6）电磁干扰（EMI）滤波器要尽可能靠近EMI源，并放在同一块线路板上。

（7）DC/DC变换器、开关元件和整流器应尽可能靠近变压器放置，以使其导线长度最小。

（8）尽可能靠近整流二极管放置调压元件和滤波电容器。

（9）印制板按频率和电流开关特性分区，噪声元件与非噪声元件要距离再远一些。

（10）对噪声敏感的布线不要与大电流，高速开关线平行。