印刷电路板的电磁兼容设计.doc

印刷电路板的电磁兼容设计电子部十五所 周会芬摘要：本文针对印刷电路板上电磁兼容的来源，从接地设计、元器件布局以及PCB布线三个方面阐述了电磁兼容设计常用的一些方法和应遵循的一些原则。关键词：电磁兼容 接地设计 元器件布局 PCB布线一、 引言当今电子技术的发展日新月异，PCB板上的元件安装密度越来越高，工作频率越来越快。因此，电磁兼容问题也变的越来越重要，许多工程技术人员正着手处理这个十分棘手的问题。目前普遍认为PCB的电磁兼容问题主要来源于以下几个方面：一个是高频周期信号的存在导致瞬时电流的产生；二是电流流过公共返回阻抗路径在元件上产生RF电压降；三是因为接地回路或接地参考的不完善产生不平衡的差摸电流，不平衡的差摸电流又导致共模电流的产生。针对电磁兼容来源，在印刷电路板的电磁兼容设计中应充分考虑以下几个方面：接地设计、PCB板上元器件的布局以及走线设计。二、接地设计在电路设计的开始阶段的主要任务是进行电路原理图的设计工作，对电路中的接地问题考虑较少，但是如果接地处理不当，会给电路运行的稳定性带来很大的问题。接地的目的有两个，一个是为伤害电流提供一个通路，这是安全地；另一个是为从外部进人到系统的信号提供一个参考，最终达到消灭或减小差模电流和共摸电流的目的。为了达到这个目的，要将地线设计得尽量紧凑，同时根据应用环境的不同，采用不同的接地设计。目前应用较多的有单点接地、多点接地和混合接地。1、单点接地单点接地系统（图1）在概念上是最简单的，他就是在系统中的所有的信号地线只有一个公共接地点，而把这个公共点的电位作为电位参考点。它能够消除公共阻抗耦合和低频地环路，地线上其它部分的电流不会耦合进电路。这种结构在1MHz以下能工作得很好，但是当频率升高时，每一条较长的地线意味着电路之间会产生共模电压。电路1电路2电路3 图1 单点接地 在实际的使用过程中，单点接地系统又分为共用信号地线串联一点接地（图2）与独立信号地线并联一点接地（图3）。共用信号地线串联一点接地由于接地方式简单使用普遍，但由于系统内各部分的电流均会通过地线公共阻抗产生直接传导耦合，给整个系统带来噪声影响。为了减小传导耦合，公共接地点应放在最靠近低电平的电路处。独立信号地线并联一点接地系统不存在电路间的公共地线阻抗耦合，但电容耦合和电感耦合会随着频率的增高而增强，因此比较适用与工作频率比较低的系统。电路1电路2电路3 图2 地线串联一点接地电路1电路2电路3 图3 地线并联一点接地2、多点接地和混合接地混合与多点接地（图4）能够避免单纯单点接地带来的高频问题。在数字电路和高频大信号电路中必须使用多点接地。模块和电路通过许多短（0.1线连接起来，以减少地阻抗产生的共模电压。多点接地的子系统在整个系统中可以与其它子系统单点接地混合接地使用电抗性器件（电感和电容）使接地系统在低频和高频时呈现不同的特性，这在宽带灵敏电路中是必要的。对于宽频系统必须兼顾低频点和高频点的接地问题，因此宜采用混合接地。在混合接地系统中，局部高频电路采用多点接地方式，低频电路部分则可根据电路的工作特点采用串、并联混合接地方式。 图4 多点和混合接地三、元器件的布局在PCB设计中设计的最终成果如何与元器件的布局有很大的关系，在布局设计中应遵循如下原则：1、对于频率较高的元器件，应避免靠的太近，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、有较高的电位差的元器件应加大它 们之间的距离，以免放电引出意外短路。3、对于一些需要经常进行操作的元器件应结合最终产品的结构要求，以操作方便为目的放在相应的位置上。4、 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。5、 以各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。6、 所有连接到其它面板及部件的连接头必须尽可能相互靠近放置，这样在电缆中传导的共模电流就不会流入PCB电路中的线路，另外，PCB上参考点间的电压降也无法激励（天线）电缆。7、 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。8、 对于加在集成电路的电源地之间去耦电容要尽量靠近集成电路，减少引线带来的干扰。9、 I/O驱动电路尽量靠近印刷板边，让其尽快离开印刷板。对进入印制板的信号要加滤波，从高噪声区来的信号也要加滤波，同时用串终端电阻的办法，减小信号反射。10、 模拟电压输入线、参考电压端要尽量远离数字电路信号线，特别是时钟。四、走线设计在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的， 在整个PCB中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。为了在布线时尽量减少相互间的电磁干扰，通常情况下应遵循如下原则： 1、输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行，最好加线间地线，以免发生反馈藕合。 2、印制导线拐弯处不能拐直角，应尽量采用圆弧形式，以免影响电路在高频时的电气性能。3、 电源线设计时应根据印制线路板电流的大小，尽量加粗，减少环路电阻。同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。 4、为了减小印制板向空间辐射电磁能量，印制板的物理尺寸都应比最靠近的接地板的物理尺寸小20H，其中H是两层印制板的间距；同时当两条印制线间距比较小时，应保证任何线条间距不小于2倍的印制线条宽度。5、传送信号的线路要与其信号回路尽可能靠近，以防止这些线路包围的环路区域产生辐射，并降低环路感应电压的磁化系数。一般情况下，当两条线路间的距离等于线宽时，耦合系数大约为0.5到0.6。6、当两面板布线时，两面的导线宜相互垂直、斜交、或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生耦合。 7、印制导线的宽度最小不宜小于0.2mm，在高密度、高精度的印制线路中，导线宽度和间距一般可取0.3mm；在DIP封装的IC脚间走线，可应用1010与1212原则，即当两脚间通过2根线时，焊盘直径可设为50mil、线宽与线距都为10mil，当两脚间只通过1根线时，焊盘直径可设为64mil、线宽与线距都为12mil。 8、 线层和电源层应设计在多层印制线路板的内层；对于没有单独电地层的公共地线应尽量布置在印制线路板的边缘部分。9、焊盘的内孔尺寸必须从元件引线直径和公差尺寸、孔径公差、孔金属化电镀层厚度等方面考虑，通常情况下以金属引脚直径值加上0.2mm作为焊盘内孔直径。焊盘直径一般情况下应比内孔直径大0.8mm 以上。对于内孔直径小于0.4mm和大于2mm的焊盘直径可采用下列公式选取： 直径小于0.4mm的孔：Dd0.53；直径大于2mm的孔：Dd1.52式中：（D焊盘直径，d内孔直径）五、 结束语目前国际上十分重视电子产品的EMC设计，人们为了在设计初期解决EMC问题已经做了大量工作，一些EDA公司也正在进行这方面的强化设计，希望将来能够借助自动化工具解决EMC问题。尽管目前技术还没有发展到那个水平，但是人们正探索新的设计方法，随着新技术的诞生印刷电路板的EMC设计将会越来越成熟。