关于PCB电磁兼容的设计技巧

关于PCB电磁兼容的设计技巧

近年来，随着电子技术的发展，PCB板上器件密度和布线密度不断增加，印制电路板的电磁兼容问题变得日益突出。如今，设计师们在设计印制电路板时，必须考虑电磁兼容问题，以确保设计功能的实现。在高频时，简单的电路模拟可能不再适用，而需要用传输线理论或微波理论来分析遇到的问题。
　　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；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。
　　对于相对低频的信号（信号的频谱上限为100MHz），通常可以不考虑上述的问题。但是当信号波长（λ）与信号线长度（ｌ）可相互比拟时（ｌ≥0.１λ），就需要考虑印制线的几何尺寸、布线、线间间隔以及传输信号的上升、下降时间，脉冲宽度与周期等因素，以致需要用传输线理论(在某些场合需要用微波理论）来正确地分析信号的传播。
　　一、确保信号完整性
　　ＰＣＢ上的信号完整性问题主要包括时延、阻抗不匹配、地弹跳（Ground Bounce)、串音等。信号完整性问题会影响电子器件的稳定工作。
　　(１)信号时延：对于高频信号，传输时延应该是电路设计者考虑的最基本的问题之一。传输时延与信号线的长度、信号传输速度的关系如下：
　　式中：ｃ-真空中的光速；
　　εreff有效的相对电导率；
　　ｌｐ-信号线的长度。
　　εreff与传输线周围介质有关，对于微带传输线来说，ε介于板的相对电导率与空气相对电导率之间。在大多数系统中，信号传输线长度是影响时钟脉冲相位差(colock skew)的最直接因素。时钟脉冲相位差是指同时产生的两个时钟信号，到达接收端的时间不同步。时钟脉冲相位差降低了信号沿到达的可预测性，如果时钟脉冲相位差太大，会在接收端产生错误的信号。传输线时延已经成为时钟脉冲周期（Clock Cycle）中的重要部分。
　　(２)阻抗不匹配：阻抗不匹配可以由驱动源，传输线和负载的阻抗不同引起，也可由传输线的不连续?例如导通孔、短截线　引起，另外由于返回路径上局部电感、电容的变化，返回路径不连续也会导致阻抗不连续。这种阻抗的不匹配，会导致反射和阻尼振荡。反射会引起信号的振铃ringring现象，即在稳态信号上下产生的电压过冲和下冲现象，如图２所示。为了将电压的过冲／下冲限制在合理的范围内(不超出稳态值的ｌ０％～１５％)，应该遵循下面这样一个原则：信号的上升时间要小于信号在印制导线上来回引起的传输时延。即： ｔr≤２ｌp／ｔppd
　　式中：ｔr-指信号的上升时间；
　　ｌp-信号线的长度；
　　ｔppd-信号线单位长度引起的延时。
　　振铃现象可能会导致误触发，为了消除振铃现象的影响，方法之一就是等待信号稳定下来，但这又会减小系统最大可能的时钟速率。
　　(３)地弹跳（Gound Bounce）：所谓地弹跳，是指在某一集成电路开关时，由于ＰＣＢ的地线以及集成电路的接地引线具有一定的电感，相应会引起器件内部地电位短暂的冲击或下降。而来自其它器件的输入驱动信号，或者由此器件输出信号所驱动的其他器件，都是以外部系统地为参考的。这种参考地电位的不一致，可能会导致器件的输入门槛或输出电平的改变，从而给高速ＰＣＢ的设计带来问题。对于电源来说，也存在类似的问题。
　　(４)串音：通常可分为两部分，即公共阻抗耦合和电磁场耦合。公共阻抗耦合是因为不同信号共用公共返回路径引起的，这种耦合通常在低频时起决定作用。电磁场耦合又可分为电感耦合与电容耦合。串音属于近场问题，在ＰＣＢ０上，串音与线的长度、线的间距、线中传输信号的方向以及参考地平面的状况有关。例如地平面上的裂缝（Split）会使跨越裂缝的邻近线路的串音增加，引起信号波形畸变。
　　二、减小传导发射和辐射发射
　　电磁干扰问题主要包括传导发射和辐射发射问题。电磁兼容中所谓的发射，是指“从源向外发出电磁能的现象”，与一般通信领域中人为的向外发射电磁波不同，ＰＣＢ中的发射常常是无意的。辐射发射标准通常覆盖３０ＭＨｚ～１ＧＨｚ的范围，在不久的将来将扩展至５～４０ＧＨｚ。对于传导发射，ＦＣＣ将范围限
　　制在０．４５～３０ＭＨｚ，而ＣＩＳＰＲ将下限延伸０．１５ＭＨｚ。滤波是抑制传导发射的一种重要方法。对离开ＰＣＢ板的信号线进行滤波，可以抑制传导发射的传播。
　　高频时，ＰＣＢ上的印制线就像一个单极天线（mono-pole Antennas）或环形天线（Loop Antennas），向外辐射能量。辐射发射可以分为两种基本类型：差模辐射和共模辐射。
　　差模辐射是由于闭合环路中的电流?即所谓的差模电流　引起的。辐射的强度与环的面积、电流的大小及频率的平方成正比。通过减小上述因素，尤其是频率，可以减小辐射的强度。另外，环的辐射具有方向性，一个小电流环的电场辐射值在环所处的平面上最大，而在环的轴向上最小。
　　共模辐射是由寄生效应，例如地线层、电源层或电缆上的感应电流?所谓的共模电流　引起的。共模辐射与一个单极天线类似，辐射的强度与单位线长中的电流及频率有关，但对方向不敏感。
　　由于差模电流产生的辐射是相减的，而共模电流产生的辐射是相加的，所以即使共模电流比差模电流小的多，也会产生程度相当的辐射场。例如，长为ｌｍ的电缆，其中间距为１．２７ｍｍ的两导线中流有３０ＭＨｚ、２０ｍＡ的差模电流，会在３ｍ外产生１００μＶ／ｍ辐射电场，而对共模电流来说，只需要８μＡ的电流就能产生同样程度的辐射。在进行远场分析时，必须考虑共模辐射。
　　三、加强防护，防止因为抗扰度不足引起灵敏度故障
　　防护的强度，随产品的用途而定。对于无关紧要的电子产品，就不需要专门的防护。而对于军用的电子产品及用于电厂与电网控制的电子设备，就需要加以最高等级的防护，因为即使是在极端情况下，也要保证这些设备能正常工作。