10．1．3 印刷电路板中的电磁兼容问题及防治措施
电子产品越来越趋向高速、宽带、高灵敏度、高密度和小型化，这种趋势导致了EMC问题更加严重。高速数字电路PCB是一个典型的代表，PCB的电磁兼容问题是目前高速PCB设计中急待解决的技术难题。
电磁兼容的防治是一项系统工程,应该在设备和系统设计、研制、生产、使用与维护的各阶段都予以充分的考虑和实施。科学而先进的电磁兼容工程管理是有效控制技术的重要组成部分。
电磁兼容对设备的要求有两个方面：一是设备工作时不会对外界产生不良的电磁干扰影响；另一个是不能对外界的电磁干扰过度敏感。前一方面的要求称为干扰发射(EMI)要求，后一个方面的要求称为敏感度(EMS)或抗扰度要求。对设备的电磁兼容要求。可以进一步分为传导发射、辐射发射、传导敏感度(抗扰度)、辐射敏感度(抗扰度)。
1．电磁兼容问题
（1）印刷电路板中带状线、电线、电缆间的串音和电磁耦合
印刷电路板中带状线、电线、电缆间的串音是印刷电路板中存在的最难克服的问题之一。这里所说的串音是较广意义上的串音，不管其源信号是有用信号还是噪声，串音用导线的互容和互感来表示。当在EMC预测和解决EMI问题时，首先应确定发射源的耦合途径是传输的、辐射的、还是串音的。例如，当PCB第一条带状线上载入控制和逻辑电平，与其靠近的第二条带状线上载有低频信号，且平行布线长度超过10cm时，预期产生串音干扰。当一长电缆载入几组串行或并行高速数据和遥控线时，串音干扰就成为主要问题。靠近的电线和电费之间的串音是由电场通过互容，磁场通过互感引起的。
当考虑在PCB带状线、电缆中导体或靠近的电线和电缆的串音问题时，最主要的是确定电场（互容）耦合和磁场（互感）耦合哪个是主要的。确定哪种耦合模型主要取决于线路阻抗、频率和其它因素。对线路阻抗，大致的原则是：
①当源阻抗和接收阻抗乘积小于9×104（Ω）时，耦合主要是磁场；
②当源阻抗和接收阻抗乘积大于106（Ω）时，耦合的主要是电场；
③当源阻抗和接收阻抗乘积大于9×104～106（Ω）之间时，则磁场或电场都可能成为耦合，这时取决于线路间的配置和频率。
然而，上述标准并不是适用于所有的情况，例如在地（底）板上PCB带状线之间的串音，这时，PCB上带状线的特性阻抗可能较低，而负载和源阻抗可能较高，但串音仍以电场（互容）为主。
一般来说，在高频时电容耦合是主要的，但如果源阻抗或接收器之一或两者都采用屏蔽电缆并在屏蔽层两端接地，则磁场耦合将是主要的。另外，低频一般有较低的电路阻抗，电感耦合是主要的。
串音预测计算程序是计算机辅助PCB设计软件中的重要内容，通过串音预测，可以保证PCB上数字和模拟信号适当的间距。编制U WAVE SPICKE 程序可预测串音、延时和振荡。该程序可能定几层PCB布置的电压和脉冲上升时间。
对于电磁耦合预测，当导体之间或信号导体与返回导体（可以是地平面）之间的距离较大时，采用电流元和电流环的发射和接收特性进行耦合预测更为精确。例如PCB上带状线端接高电阻并远离地平面时，用电流元模拟电场和磁场的发射特性更为方便。当带状线形成环路时，无论是圆形还是矩形，都可用环的接收和发射特性模拟。当两环在同块PCB表面时，则为共同耦合。当一环在一块PCB上面，另一环在附近另一块PCB上时，则为共轴耦合。
（2）数字电路PCB使电子产品的电磁辐射加重
计算机等电子设备的电路一般都是用数字电路PCB实现的，在很多情况下，数字电路PCB产生的辐射问题要比模拟电路PCB更严重。
由于数字电路的驱动电流较大，致使辐射的强度也较大；而高速时钟脉冲和数字信号又使得辐射频带加宽，由于时钟电路产生的信号一般都是周期方波，其谐波分量都是以基频为倍频的分立频谱，因而，时钟电路的辐射频谱也都是分立的。而数字化的信息信号一般都是非周期信号，其辐射频谱将是窄带与宽带两种辐射的叠加，频率可从几兆赫到数百兆赫，如此宽的辐射频率范围，不可避免地会引起一系列EMI和TEMPEST 问题。
PCB电磁辐射分两种基本类型：差模辐射与共模辐射。差模辐射的特点取决于闭合环路中电流特性；共模辐射由对地的干扰(噪声)电压引起。目前的文献中对共模辐射讨论较少，但实际PCB或电路并非都是由单根或回路轨迹组成，而且即使是并行电路轨迹的电流也并非相等，所以在分析辐射问题时，只考虑差模电流的作用远远不够，必须考虑轨迹中所有电流的作用，同时因为差模电流的辐射是相减的，而共模电流的辐射则是相加的。所以共模电流即使比差模电流小很多，也会产生相当程度的辐射电场。
电磁辐射主要表现在：对周围的电子系统构成窄带与宽带干扰；另一方面造成潜在的信息泄漏问题。
影响PCB电磁辐射的因素主要是PCB的结构和激励因素：PCB的结构不同，其辐射效果也不同，传输带的长度、回路面积、地线走向、整体布局等都会影响到辐射效果。除结构外，激励因素比如幅值、周期、脉冲宽度、上升与下降时间、频率等，也都是影响辐射效果及频率特性的重要因素。显然，PCB的布局设计将直接关系到整机电磁辐射的强弱。在确定的激励状态下，整机系统辐射水平的抑制和降低，必须从PCB的辐射分析及布局的优化设计着手。
目前，有不少文献对PCB的辐射问题进行讨论，提出PCB辐射的简化计算方法和测试手段。然而，由于结构参数与激励参数的差异，PCB的辐射问题木可能像用电路那样，用一种模型就可以分析解决。比如：电偶极子和磁偶极子的辐射模型只有在电路长度小于波长和测试点距离的情况下才能适用。另外，对一块PCB来说，众多的线路和回路是潜在的辐射源。所以PCB的整体辐射效果应是各辐射单元辐射效果的叠加，总体辐射作用的大小主要与频率、辐射源长度或面积、激励强度、方位等因素有关；此外，布线结构的合理设计对降低PCB辐射也具有关罐的作用。
消除辐射干扰最有效的方法是采取屏蔽，屏蔽噪声源或屏蔽敏感电路。除屏蔽方法外，还可以通过改变电路设计来提高系统的抗干扰能力。
从TEMPEST意义上讲，凡与串行数据和信息相关的PCB，其辐射水平都应设法降低到最低点，对并行数据的PCB，则相应放宽限制，但应注意避免通过耦合作用为串行信息提供通路。
为了抑制PCB电磁辐射，除了采用相应的技术措施外，CENELEC，FCC和VDE等国际组织先后颁布了有关数字电子设备电磁辐射的约束规范。目前辐射标准覆盖的频率从30 MHz到1 GHz，在不久的将来会扩展到5～40 GHz。
2．电磁兼容的防治措施
解决电磁兼容问题应从产品的开发阶段开始，并贯穿于整个产品或系统的开发、生产过程。电磁兼容的工程方法有测试修改法和系统设计法。测试修改法就是在设计过程中尽量采用电磁兼容设计规范，在样机完成后进行测试，然后针对出现的电磁兼容问题进行分析，采取相应的解决办法，直到满足要求为止。该方法比较简单，但开发成本较高。系统设计法是在产品的设计过程中仔细预测各种可能发生的电磁兼容问题，从设计的一开始就采取各种措施消除或部分消除可能出现的电磁干扰，以减轻调试工作的压力。国内外大量的经验表明，在产品或系统的研制过程中越早注意电磁兼容问题，越可以节约人力与物力。
在控制方法上，除了采用众所周知的抑制干扰传播的技术，如屏蔽、接地、搭接、合理布线等方法以外还可以采取回避和疏导的技术处理，如空间方位分离、频率划分与回避、滤波、吸收和旁路等等，有时这些回避和疏导技术简单而巧妙，可以代替成本费用昂贵而质量体积较大的硬件措施，收到事半功倍的效果。这是精明的工程师们经常采用的控制方法。
在解决电磁干扰问题的时机上，需要由设备研制后期暴露出不兼容问题而采取挽救修补措施的被动控制方法，转变成在设备设计初始阶段就开展预测分析和设计，预先检验计算，并全面规划实施细则和步骤，做到防患于未然。把电磁兼容性设计和可靠性设计，维修性设计与产品的基本功能结构设计同时进行，并行开展。电磁兼容控制技术是现代并行工程的组成内容之一。
电磁兼容设计的关键技术是对电磁干扰源的研究，从干扰源处控制其电磁发射。控制干扰源的发射，需要广泛地应用屏蔽(包括隔离)、滤波和接地技术。
（1）屏蔽
屏蔽主要是运用各种导电材料，制成壳体与大地连接，以切断静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合的电磁噪声传播途径。
电磁屏蔽是电磁兼容防治的重要手段。电磁屏蔽是以金属隔离的原理来控制电磁干扰由一个区域向另一区域感应和辐射传播的方法。
屏蔽一般分为两种类型：一类是静电屏蔽，主要用于防止静电场和恒定磁场的影响，另一类是电磁屏蔽，主要防止交变电场、交变磁场以及防止交变电磁场的影响。
静电屏蔽应具备两个基本要点，即完善的屏蔽体和良好的接地。电磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求屏蔽体具有良好的导电连续性，对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高得多。因而为了满足电磁兼容性要求，常常用高导电性的材料作为屏蔽材料，如铜板、铜箔、铝箔、钢板或金属镀层、导电涂层。
在实际的屏蔽中，电磁屏蔽效能更大程度上依赖于机箱的结构，即导电的连续性。机箱上的接缝、开口等都是电磁波的泄漏源。穿过机箱的电缆也是造成屏蔽效能下降的主要原因。
解决机箱缝隙电磁泄漏的方法是在缝隙处用电磁密封衬垫。电磁密封衬垫是一种导电的弹性材料，它能够保持缝隙处的导电连续性。常见的电磁密封衬垫的导电橡胶、双重导电橡胶、金属编织网套、螺旋管衬垫、定向金属导电橡胶等。
机箱上开口的电磁泄漏与开口的形状、辐射源的特性和辐射源到开口处的距离有关。通过适当的设计开口尺寸和辐射源到开口的距离能够改善屏蔽效能的要求。
通风口可使用穿孔金属板，只要孔的直径足够小，就能够达到所要求的屏蔽效能。当对通风量的要求高时，必须使用截止波导通风板（蜂窝板），否则不能兼顾屏蔽和通风量的要求。如果对屏蔽要求不高，并且环境条件较好，可能使用铝箔制成的蜂窝板。这种产品的价格低，但强度差，容易损坏。如果对屏蔽的要求高，或环境恶劣（如军用环境），则要使用铜制或钠制蜂窝板，这种产品各方面性能优越，但价格昂贵，诸如计算机显示屏等，既要满足视觉要求，又要满足防电磁泄漏要求。通常在显示屏前加装高性能屏蔽视窗，屏蔽机箱上绝不允许有导线直接通过。当导线必须通过机箱时，一定要使用适当的滤波器，或对导线进行适当的屏蔽。
板级屏蔽的一般做法是在印刷电路板的辐射元件或敏感元件上安装金属罩。把金属罩焊在线路板上是一个常用且有效的屏蔽方法。
一种新的屏蔽技术采用了薄金属化塑料底板，它们的底板边缘有一层直接模压上去的低扣合力导电橡胶层。通过针、孔等定位装置可以使它们精确地安装在印刷电路板上。橡胶层与线路板紧密扣合，再加上印刷电路板的底板层，可以全方位屏蔽电磁干扰，为屏蔽内部串扰，可以把金属化塑料或金属罩分隔开。
还有一种类似的电磁屏蔽方法采用了带导电橡胶层的塑料罩。橡胶被模压在塑料罩的内表面和侧壁。橡胶还可以做成内壁，在一块或多块印刷电路板的干扰电路之间形成电磁隔离空间。
（2）隔离
隔离主要是运用继电器、隔离变压器或光电隔离器等器件来切断电磁噪声传导形式的传播途径。其特点是将两部分电路的地线系统分隔开来，切断通过阻抗进行耦合的可能。
在一个电子系统中，通道之间的信号辐射会产生电磁干扰。如果是两个图像通道的信号干扰，会产生图像叠加、背景虚像等现象。如果是两个音频通道的信号干扰，则会出现串音现象。
在印刷电路板上，信号线长距离高密度平行，就有可能出现传输通道干扰。改善传输通道干扰的方法是在设计PCB板时，高频信号之间的布线尽量少平行，有条件的要插入地线。
（3）滤波
滤波是在频域上处理电磁噪声的技术，为电磁噪声提供一个低阻抗通路，以抑制电磁干扰。例如，电源滤波器对50Hz的电源频率呈现高阻抗，而对电磁噪声频谱呈现低阻抗。
频率管理是滤波的重要手段，是指运用干扰抑制滤波技术来选择信号和抑制干扰。为了实现这两在功能而设计的网络都称都称为滤波器。通常按功能可把滤波器分为信号选择滤波嚚和电磁干扰（EMI）滤波器两大类。信号选择滤波器可有效去除不需要的信号分量，同时是对被选择信号的幅度相位影响最小的滤波器。电磁干扰滤波器是以能够有效抑制电磁干扰为目标的滤波器。电磁干扰滤波器常常以分为信号线EMI滤波器、电源EMI滤波器、印刷电路板EMI滤波器、反射EMI滤波器、隔离EMI滤波器等几类。
线路板上的导线，是最有效的接收和辐射天线。由于导线的存在，往往会在线路板上产生过强的电磁辐射。同时，这些导线又能接受外部的电磁干扰，使电路对干扰很敏感。在导线上使用信号滤波器是解决高频电磁干扰辐射和接收很有效的方法。脉冲信号的高频成分很丰富，这些高频成分可以借助导线辐射，使线路板的辐射超标。信号滤波器的使用可使脉冲信号的高频成分大大减少，由于高频信号的辐射效率较高，这个高频成分的减少，线路板的辐射将大大改善。
电源线是电磁干扰传入设备和传出设备的主要途径。通过电源线，电网上的干扰可以传入设备，干扰设备的正常工作。同样，设备的干扰也可以通过电源线传到电网上，对电网上的其他设备造成干扰。为了防止这两种情况的发生，必须在设备的电源入口处安装一个低通滤波器，这个滤波器只允许设备的较低工作频率（50Hz，60Hz，400Hz）通过，而对较高频率的干扰有很大的损耗，由于这个滤波器专门用于设备电源线上，所以称为电源线滤波器。
电源线上的干扰电路以两种形式出现。一种是在火线零线回路中，其干扰被称为差模干扰。另一种是在和火线、零线与地线和大地的回路中，称为共模干扰。通常200Hz以下时，差模干扰成分为主要成分。1MHz以上时，共模干扰成分占主要成分。电源滤波器对差模干扰和共模干扰都有抑制作用，但由于电路结构不同，对差模干扰和共模干扰的抑制效果不一样，所以小滤波器的技术指标中有差模插入损耗和共模插入损耗之分。
（4）接地
接地包括接地体的设计、地线的布置、接地线在各种不同频率下的阻抗等内容，不仅涉及产品或系统的电气安全，而且关联着电磁兼容和其测量技术。