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印制电路板设计的电磁兼容性分析
来源： | 作者： 张文成 | 发布时间：2010-01-26 13:16:15 | 浏览：129次【 字体：大 中 小】

   摘要:阐述了电磁环境日益复杂的情况下，印制电路板电磁兼容性设计在电了产品设计中的必要性，并在分析印制电路板造成信号传输损失、电磁能量辐射形成机理的基础上对印制电路板设计中影响印制线条阻抗的因素、阻抗匹配的重要性和如何控制信号传输线的阻抗，以及印制电路板的地线结构作了分析，从避免印制电路板形成辐射和提高其抗干扰能力的角度阐述了在印制电路板上如何合理布置地线及地线网格她线面的应用方法，最后分析了印制电路板的布线原则。
    关键词:印制电路板;电磁兼容性;阻抗匹配;藕合;地线网格;地线面
  随着现代科学技术的发展，电气及电了设备的数量及种类不断增加，而目_产品的尺寸在不断缩小，功能在不断增加，使电磁环境日益复杂，在这种复杂的电磁环境中，如何减少相互问的电磁骚扰，使各种设备能正常运转，是一个必须解决的问题。
1射频信号传输线阻抗控制
L1阻抗匹配
    在印制电路板中，信号传递时，希望从信号的发射端起，在能量损失最小的情形下，能顺利地传送到接收端，而目_接收端将其完全吸收而不作任何反射，要达到这种传输，线路中的阻抗必须和发射端的阻抗相等，称为阻抗匹配。如果传输线的特征阻抗与负载阻抗不匹配时，在负载端就会产生反射，当负载阻抗大于特征阻抗时，电压信号发生正向反射，电流信号发生负向反射;反之，当负载阻抗小于特征阻抗时，电压信号发生负向反射，电流信号发生正向反射。事实上当走线的儿何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素的变化均会导致此类反射。减小和消除反射的方法是根据传输线的特征阻抗在其发射端或接收端进行终端阻抗匹配，从而使反射系数接近于q所以在进行PCB走线时，应尽量使传输线在各处的特征阻抗相同[‘{。
    在设计射频PCB电路时，阻抗匹配是设计的要素之一，而阻抗值与走线方式有绝对的关系，例如走在表面层或内层、与参考的电源层或地层的距离、走线宽度和PCB材质等均会影响走线的特征阻抗值，同时不同PCB生产厂家生产出来的特征阻抗也有微小的差别。一般阻抗仿真软件会因线路模型或所使用的数学算法的限制而无法考虑到一些阻抗不连续的走线情况，这时候在原理图上只能预留一些端接，如串联电阻等，来缓和走线阻抗不连续的效应，根本解决问题的方法还是走线时尽量注意避免阻抗不连续的发生。
L2印制线条的阻抗控制
    PCB印制线条有微带线和微带波导两种基本类型，微带线是其最外层线条，可获得高速传输，但工作时会向空问辐射较多能量;微带波导是其中问层线条，电路噪声防护性能好，但电容大，使快速信号的边沿速率下降。

122介质层厚度
    从阻抗计算公式可看出特征阻抗Z})是与介质厚度的自然对数成正比的，因而可知介质厚度越厚，其特征阻抗越大，所以介质厚度是影响特征阻抗的一个主要因素，对于特征阻抗严格控制的高频线路来说，对覆铜板的介质厚度的误差应提出严格要求。

PCB生产商的工程师协商，了解工艺参数，PCB生产商根据自己生产的工艺参数，适当修正设计者的设计值，提供合理的阻抗值区问来达到设计要求。为使射频传输线在信号传输时不发生反射现象，降低传输损耗，得到完整可靠、无干扰噪音的传输信号，在进行PCB电路设计时，射频电路传输线通常要求阻抗控制为50 } o
2  PCB的地线结构分析
21地线网格
    地线网格结构如图3所示，这样可以使信号回流的平行地线数目大幅度地增加，从而使地线电感对任何信号而言都保持最小，回流电流的环路面积也可大大减小，在进行布线时，首先将地线网格布好，然后再进行信号线和电源线的布线。这种地线结构特别适用于数字电路，但不适合低频小信号模拟电路，因为在低频小信号模拟电路中要避免公共阻抗藕合。

 高速数字电路中，必须避免“梳状”地线结构，如图4所示，这种地线结构容易使信号回流电流的环路很大，会增加电磁辐射和电路的敏感度，在梳齿之问加上横线，梳状地线结构很容易变为地线网格C2
 2地线面
    地线网格无限密就构成了一个连续的导体平面，这个平面称为地线面，在多层板中很容易实现，地线面能提供最小的回路电感，特别适合于射频电路和高速数字电路。

积最小，从而有效减少地线骚扰。在高频时，回流信号并不一定走儿何上最短的路径，而会走最靠近信号线的低阻抗路径，这是因为这种路径与信号线之问的环路面积最小，具有最小的电感和最小的阻抗，地线面总是可以保证回流电流取最佳路径。两根电流方向相反的平行导线的环路电感为:

 地线面还可有效控制串扰，走线之问的串扰机理有电感藕合、电容藕合和公共阻抗藕合等，地线面可将公共地线阻抗大幅减小，还可降低导线对地的
电容，并目_地线面可使不同的信号回路不在一个平面内，从而对减少电感藕合有好处。
    由于对所有的信号线都实现最佳地线布线是不可能的，在设计时要区别对待，从干扰发射角度考虑，最重要的信号是高电流变化率信号，如时钟线、数据线和大功率方波振荡器等，从敏感度角度考虑，最重要的信号是沿触发输入、时钟系统和小信号模拟放大器等，分离出这些重要信号重点考虑。
3  PCB布线原则
    在PCB布线时，应先确定元器件在板上的位置，然后布置地线和电源线，再安排高速信号线，最后考虑低速信号线[3一5{。
    元器件的位置应按电源电压、数字膜拟电路、速度快慢和电流大小等进行分组，以免相互干扰，根据元器件的位置可以确定印制板连接器各个引脚的安排，所有连接器应安排在印制板的一侧，尽可能避免从两侧引出电缆，减少共模辐射。
    (1)按逻辑速度分割
    当需要在电路板上布置快速、中速和低速逻辑电路时，应按图7所示布置，高速的器件(快逻辑、时钟振荡器等)应安放在紧靠边沿连接器范围内，而低速逻辑和存储器应安放在远离连接器范围内，对共阻抗藕合、辐射和交扰的减小都是有利的。

线应尽可能靠近地线，以减小差模辐射的环面积，这样有助于减小电路的交扰。
    ( 4)数字电路和模拟电路要分开，最好安排在不同层内，地和电源都要分开，因为数字信号有很宽的频谱，是产生骚扰的主要来源。
    ( 5)时钟电路和高频电路是主要的骚扰辐射源，一定要单独安排，远离敏感电路。
    ( 6)电源平面应靠近接地平面，并目_安排在接地平面之下，这样可以利用两金属平板问的电容作电源的平滑电容，同时接地平面还对电源平面上分布的辐射电流起到屏蔽作用;布线层应安排与整块金属平面相邻，可以产生通量对消作用。

    由上述分析可见，在印制电路板的设计中有效控制信号传输线的阻抗，可以充分降低信号传输损耗，遵循布线规则以及地线网格和地线面的合理应用，可以有效减小环路面积，从而避免印制电路板形成辐射和提高其抗干扰能力。