印制电路板电磁兼容设计的关键技术

印制电路板，又称印刷电路板，作为电子元器件电气连接的提供者。它的发展已有100多年的历史了；它的设计主要是版图设计；采用电路板的主要优点是大大减少布线和装配的差错，提高了自动化水平和生产劳动率。

印制电路板的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局、内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。优秀的版图设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。简单的版图设计可以用手工实现，复杂的版图设计需要借助计算机辅助设计（CAD）实现。 本博文聚焦于“印制电路板电磁兼容设计的关键技术”，由第九届电路保护与电磁兼容技术研讨会主办方我爱方案网所整理，希望能给在印制电路板领域上工作的工程师们有所启发。

一、基尔霍夫定律在印制电路板上的作用

从电子信息技术发展来看有四个定律，第一个定律是摩尔定律，第二个是贝尔定律，第三个是吉尔定律，第四是梅特卡夫定律。从这四个定律来说揭示了电子信息技术发展的规律性。



在印制电路板中我们遵循这么一个原理，就是所谓的基尔霍夫定律，这是一个正常的电路，红的是正常回路，绿的是非正常回路，一个非常重要的概念，就是出现串扰的情况下，这个原因在哪儿呢？因为对于基尔霍夫来说，就是时域信号由源到负载的传输都必须构成一个回路。频域信号由源到负载都必须有一个最低阻抗路径。所以不可避免的出现大量的分布参数，这个分布参数，比如说所谓的数字信号，印制板电路的分布参数，致使电路在高频情况下呈现非与其的阻抗特性。

  

二、印制板上的电磁兼容性特点

下面看一下印制板的电磁兼容特点。这是一个印制板，印制板涉及到数字芯片和信号，当两个电路进行相互连接的时候，如果出现阻抗不匹配，它一定会构成反射，如果电磁辐射的话，这个地方的辐射就会很强。印制板，在这个传输线和原来不匹配的情况下，这块的信号是光滑的，这块出现了大量的震感，大量的震感就会有大量的高频成分，它有了分布参数作用，就会使电路中的非影响的分布参数影响到信号的正常传输，从而导致出现串扰、辐射等一系列的问题。


三、多层板的电磁兼容性问题

这是四层板，这是S1，S2。对于地的理解，除了地的作用，还有就是信号回见。5伏的电流过来以后，通过S1进行供电，这个是1.2伏的流动，这个是 1.8伏的流动，电源的回迁走的是地层。S1—S2的电源也是在地层上走，所以印制板的地层是电磁兼容设计的一个非常重要的部分。模拟电容和数字电容要分开等等，很多问题都出在印制板的地层上。



多层印制板及层间距，正常信号是1层和3层之间的关系，但是从分布参数来说，真正的高频干扰信号是和2层没有关系的，但最后也发生了相互的关系，所以这种问题也会对印制板有影响。



这是六层板，S1和S2的分布参数比较小，从而减少S1和S2的耦合。如果在S2层不铺地，一层是横向的，二层是纵向的进行90度的布线，这时S1层的信号对于上半区的电磁辐射来说，是由S1的信号本身和S1在这个地层上的感应电流两部分叠加构成的。这时地层以上区域的电磁辐射就是由S1的电流和它底下的回路电流共同构成的辐射。对S2进行铺地的话，S1所产生的辐射是由S1以及在S2反方向上距离相等的电流构成的回路产生的辐射。从这个角度来看，显然这个回路的回路面积要小于刚才回路的回路面积，这种情况属于保持连续性，会提高印制板的回路面积。



四、如何解决印制板设计上的电磁兼容性问题

电子元件技术网认为电子设备的电磁兼容阶段性设计工作有这么几点，第一是芯片级，第二是板件级，第三是设备及，第四是系统级。



印制板设计的三个关键内容，一是信号完整性设计，二是电源完整性设计，三是电磁兼容设计。信号主要是解决串扰、反射、过冲与下冲、振荡、信号延迟。电源完整性设计，地电位波动太大，去耦合电容设计不合适，多电源或地平面分别不好，地层设计不合理。电磁兼容设计，布局、滤波、互连。



五、利用仿真软件对印制板进行设计分析

在现在的技术里面，有大量的分析软件可以为我们提供必要的工具，比如设计前分析，设计PCB电路和设计后分析，用这些软件就一定可以进行设计，是非常好的设计手段。



但是现在有一个问题，随着现代技术的发展，要求设计者掌握的设计软件非常多，但是很多软件里的大多数功能是工程师不一定会关心的。要掌握这个软件，需要学大量的知识，需要对很多软件进行了解。对于相关的工程师来说，有很大的局限，就是他的知识和能力不一定够，但是从另外一个角度来说，他又没必要去了解这么全面。现在的软件仅仅提供一个仿真的手段，并没有办法判断你的设计是否是合理有效的。



这是布板/方针软件关系集合，有的版本兼容，有的版本不兼容。仿真软件对于模型的支持，S参数模型，IBIS参数模型，SPICE模型。需要去了解相关的软件和所谓参数之间它们到底是什么样的关系。



这是仿真过程参数传递的关系，有了这些以后就可以进行具体的系统集成，比如说通过不同的软件，可以把一些局部电流提取，还有就是可以提取一些参数。