线路板/PCB级的电磁兼容设计

线路板（PCB）级的电磁兼容设计
中国赛宝实验室：朱文立
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，它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质量的好坏。随着信息化社会的发展，各种电子产品经常在一起工作，它们之间的干扰越来越严重，所以，电磁兼容问题也就成为一个电子系统能否正常工作的关键。同样，随着电于技术的发展，PCB的密度越来越高，PCB设计的好坏对电路的干扰及抗干扰能力影响很大。要使电子电路获得最佳性能，除了元器件的选择和电路设计之外，良好的PCB布线在电磁兼容性中也是一个非常重要的因素。
既然PCB是系统的固有成分，在PCB布线中增强电磁兼容性不会给产品的最终完成带来附加费用。但是，在印制线路板设计中，产品设计师往往只注重提高密度，减小占用空间，制作简单，或追求美观，布局均匀，忽视了线路布局对电磁兼容性的影响，使大量的信号辐射到空间形成骚扰。一个拙劣的PCB布线能导致更多的电磁兼容问题，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。因此，在开始时养成良好的PCB布线习惯是最省钱的办法。
有一点需要注意，PCB布线没有严格的规定，也没有能覆盖所有PCB布线的专门的规则。大多数PCB布线受限于线路板的大小和覆铜板的层数。一些布线技术可以应用于一种电路，却不能用于另外一种，这便主要依赖于布线工程师的经验。然而还是有一些普遍的规则存在，下面将对其进行探讨。
为了设计质量好、造价低的PCB，应遵循以下一般原则：
2．PCB上元器件布局
首先，要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后．再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。
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。
在印制板布置高速、中速和低速逻辑电路时，应按照图1－①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。元件在印刷线路板上排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题。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。如图1－②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 在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则：
(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。热敏元件应远离发热元件。
(4) 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便于调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。
(5) 应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。
2.2 根据电路的功能单元对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：
(1) 按照电路的流程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。
(3) 在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。
(4) 位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3:2或4:3。电路板面尺寸大于200x150mm时．应考虑电路板所受的机械强度。
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) 安排电路时要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。
3．PCB布线
3.1 印刷线路板与元器件的高频特性：
一个PCB的构成是在垂直叠层上使用了一系列的层压、走线和预浸处理的多层结构。在多层PCB中，设计者为了方便调试，会把信号线布在最外层。
PCB上的布线是有阻抗、电容和电感特性的。
阻抗：布线的阻抗是由铜和横切面面积的重量决定的。例如，1盎司铜则有0.49mΩ／单位面积的阻抗。
电容：布线的电容是由绝缘体（EoEr）电流到达的范围（A）以及走线间距（h）决定的。
用等式表达为C＝EoErA/h，Eo是自由空间的介电常数（8.854pF/m），Er是PCB基体的相关介电常数（在FR4碾压板中该值为4.7）
电感：布线的电感平均分布在布线中，大约为1nH/mm。
对于1盎司铜线来说，在0.25mm（10mil）厚的FR4碾压板上，位于地线层上方的0.5mm（20mil）宽、20mm（800mil）长的线能产生9.8mΩ的阻抗，20nH的电感以及与地之间1.66pF的耦合电容。
在高频情况下，印刷线路板上的走线、过孔、电阻、电容、接插件的分布电感与电容等不可忽略。电容的分布电感不可忽略，电感的分布电容不可忽略。电阻会产生对高频信号的反射和吸收。走线的分布电容也会起作用。当走线长度大于噪声频率相应波长的1/20时，就产生天线效应，噪声通过走线向外发射。
印刷线路板的过孔大约引起0.5pF的电容。一个集成电路本身的封装材料引入2~6pF电容。一个线路板上的接插件，有520nH的分布电感。一个双列直插的24引脚集成电路插座，引入4~18nH的分布电感。
这些小的分布参数对于运行在较低频率下的微控制器系统是可以忽略不计的；而对于高速系统必须予以特别注意。
下面便是避免PCB布线分布参数影响而应该遵循的一般要求：
(1) 增大走线的间距以减少电容耦合的串扰；
(2) 平行地布电源线和地线以使PCB电容达到最佳；
(3) 将敏感的高频线布在远离高噪声电源线的地方以减少相互之间的耦合；
(4) 加宽电源线和地线以减少电源线和地线的阻抗。
3.2 分割：
分割是指用物理上的分割来减少不同类型线之间的耦合，尤其是通过电源线和地线的耦合。
图2给出了用分割技术将4个不同类型的电路分割开的例子。在地线面，非金属的沟用来隔离四个地线面。L和C作为板子上的每一部分的过滤器，减少不同电路电源面间的耦合。高速数字电路由于其更高的瞬时功率需求而要求放在靠近电源入口处。接口电路可能会需要抗静电放电（ESD）和暂态抑制的器件或电路来提高其电磁抗扰性，应独立分割区域。对于L和C来说，最好不同分割区域使用各自的L和C，而不是用一个大的L和C，因为这样它便可以为不同的电路提供不同的滤波特性。