線路板（PCB）級(jí)的電磁兼容設(shè)計(jì)
中國(guó)賽寶實(shí)驗(yàn)室：朱文立
1．引言
印制線路板（PCB）是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件，它提供電路元件和器件之間的電氣連接，它是各種電子設(shè)備最基本的組成部分，它的性能直接關(guān)系到電子設(shè)備質(zhì)量的好壞。隨著信息化社會(huì)的發(fā)展，各種電子產(chǎn)品經(jīng)常在一起工作，它們之間的干擾越來(lái)越嚴(yán)重，所以，電磁兼容問(wèn)題也就成為一個(gè)電子系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。同樣，隨著電于技術(shù)的發(fā)展，PCB的密度越來(lái)越高，PCB設(shè)計(jì)的好壞對(duì)電路的干擾及抗干擾能力影響很大。要使電子電路獲得最佳性能，除了元器件的選擇和電路設(shè)計(jì)之外，良好的PCB布線在電磁兼容性中也是一個(gè)非常重要的因素。
既然PCB是系統(tǒng)的固有成分，在PCB布線中增強(qiáng)電磁兼容性不會(huì)給產(chǎn)品的最終完成帶來(lái)附加費(fèi)用。但是，在印制線路板設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師往往只注重提高密度，減小占用空間，制作簡(jiǎn)單，或追求美觀，布局均勻，忽視了線路布局對(duì)電磁兼容性的影響，使大量的信號(hào)輻射到空間形成騷擾。一個(gè)拙劣的PCB布線能導(dǎo)致更多的電磁兼容問(wèn)題，而不是消除這些問(wèn)題。在很多例子中，就算加上濾波器和元器件也不能解決這些問(wèn)題。到最后，不得不對(duì)整個(gè)板子重新布線。因此，在開始時(shí)養(yǎng)成良好的PCB布線習(xí)慣是最省錢的辦法。
有一點(diǎn)需要注意，PCB布線沒(méi)有嚴(yán)格的規(guī)定，也沒(méi)有能覆蓋所有PCB布線的專門的規(guī)則。大多數(shù)PCB布線受限于線路板的大小和覆銅板的層數(shù)。一些布線技術(shù)可以應(yīng)用于一種電路，卻不能用于另外一種，這便主要依賴于布線工程師的經(jīng)驗(yàn)。然而還是有一些普遍的規(guī)則存在，下面將對(duì)其進(jìn)行探討。
為了設(shè)計(jì)質(zhì)量好、造價(jià)低的PCB，應(yīng)遵循以下一般原則：
2．PCB上元器件布局
首先，要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過(guò)大時(shí)，印制線條長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過(guò)小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后．再確定特殊元件的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局。
電子設(shè)備中數(shù)字電路、模擬電路以及電源電路的元件布局和布線其特點(diǎn)各不相同，它們產(chǎn)生的干擾以及抑制干擾的方法不相同。此外高頻、低頻電路由于頻率不同，其干擾以及抑制干擾的方法也不相同。所以在元件布局時(shí)，應(yīng)該將數(shù)字電路、模擬電路以及電源電路分別放置，將高頻電路與低頻電路分開。有條件的應(yīng)使之各自隔離或單獨(dú)做成一塊電路板。此外，布局中還應(yīng)特別注意強(qiáng)、弱信號(hào)的器件分布及信號(hào)傳輸方向途徑等問(wèn)題。
在印制板布置高速、中速和低速邏輯電路時(shí)，應(yīng)按照?qǐng)D1－①的方式排列元器件。
在元器件布置方面與其它邏輯電路一樣，應(yīng)把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些，這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。元件在印刷線路板上排列的位置要充分考慮抗電磁干擾問(wèn)題。原則之一是各部件之間的引線要盡量短。在布局上，要把模擬信號(hào)部分，高速數(shù)字電路部分，噪聲源部分（如繼電器，大電流開關(guān)等）這三部分合理地分開，使相互間的信號(hào)耦合為最小。如圖1－②所示。
時(shí)鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時(shí)鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲，要相互靠近些。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應(yīng)盡量遠(yuǎn)離邏輯電路。如有可能，應(yīng)另做電路板，這一點(diǎn)十分重要。
2.1 在確定特殊元件的位置時(shí)要遵守以下原則：
(1) 盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。
(2) 某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應(yīng)加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方。
(3) 重量超過(guò)15g的元器件、應(yīng)當(dāng)用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發(fā)熱量多的元器件，不宜裝在印制板上，而應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上，且應(yīng)考慮散熱問(wèn)題。熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。
(4) 對(duì)于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動(dòng)開關(guān)等可調(diào)元件的布局應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求。若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié)，應(yīng)放在印制板上方便于調(diào)節(jié)的地方；若是機(jī)外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱面板上的位置相適應(yīng)。
(5) 應(yīng)留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。
2.2 根據(jù)電路的功能單元對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：
(1) 按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流通，并使信號(hào)盡可能保持一致的方向。
(2) 以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來(lái)進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。
(3) 在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀，而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn)。
(4) 位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm。電路板的最佳形狀為矩形。長(zhǎng)寬比為3:2或4:3。電路板面尺寸大于200x150mm時(shí)．應(yīng)考慮電路板所受的機(jī)械強(qiáng)度。
2.3 PCB元器件通用布局要求：
電路元件和信號(hào)通路的布局必須最大限度地減少無(wú)用信號(hào)的相互耦合：
(1) 低電子信號(hào)通道不能靠近高電平信號(hào)通道和無(wú)濾波的電源線，包括能產(chǎn)生瞬態(tài)過(guò)程的電路。
(2) 將低電平的模擬電路和數(shù)字電路分開，避免模擬電路、數(shù)字電路和電源公共回線產(chǎn)生公共阻抗耦合。
(3) 高、中、低速邏輯電路在PCB上要用不同區(qū)域。
(4) 安排電路時(shí)要使得信號(hào)線長(zhǎng)度最小。
(5) 保證相鄰板之間、同一板相鄰層面之間、同一層面相鄰布線之間不能有過(guò)長(zhǎng)的平行信號(hào)線。
(6) 電磁干擾（EMI）濾波器要盡可能靠近EMI源，并放在同一塊線路板上。
(7) DC/DC變換器、開關(guān)元件和整流器應(yīng)盡可能靠近變壓器放置，以使其導(dǎo)線長(zhǎng)度最小。
(8) 盡可能靠近整流二極管放置調(diào)壓元件和濾波電容器。
(9) 印制板按頻率和電流開關(guān)特性分區(qū)，噪聲元件與非噪聲元件要距離再遠(yuǎn)一些。
(10) 對(duì)噪聲敏感的布線不要與大電流，高速開關(guān)線平行。
3．PCB布線
3.1 印刷線路板與元器件的高頻特性：
一個(gè)PCB的構(gòu)成是在垂直疊層上使用了一系列的層壓、走線和預(yù)浸處理的多層結(jié)構(gòu)。在多層PCB中，設(shè)計(jì)者為了方便調(diào)試，會(huì)把信號(hào)線布在最外層。
PCB上的布線是有阻抗、電容和電感特性的。
阻抗：布線的阻抗是由銅和橫切面面積的重量決定的。例如，1盎司銅則有0.49mΩ／單位面積的阻抗。
電容：布線的電容是由絕緣體（EoEr）電流到達(dá)的范圍（A）以及走線間距（h）決定的。
用等式表達(dá)為C＝EoErA/h，Eo是自由空間的介電常數(shù)（8.854pF/m），Er是PCB基體的相關(guān)介電常數(shù)（在FR4碾壓板中該值為4.7）
電感：布線的電感平均分布在布線中，大約為1nH/mm。
對(duì)于1盎司銅線來(lái)說(shuō)，在0.25mm（10mil）厚的FR4碾壓板上，位于地線層上方的0.5mm（20mil）寬、20mm（800mil）長(zhǎng)的線能產(chǎn)生9.8mΩ的阻抗，20nH的電感以及與地之間1.66pF的耦合電容。
在高頻情況下，印刷線路板上的走線、過(guò)孔、電阻、電容、接插件的分布電感與電容等不可忽略。電容的分布電感不可忽略，電感的分布電容不可忽略。電阻會(huì)產(chǎn)生對(duì)高頻信號(hào)的反射和吸收。走線的分布電容也會(huì)起作用。當(dāng)走線長(zhǎng)度大于噪聲頻率相應(yīng)波長(zhǎng)的1/20時(shí)，就產(chǎn)生天線效應(yīng)，噪聲通過(guò)走線向外發(fā)射。
印刷線路板的過(guò)孔大約引起0.5pF的電容。一個(gè)集成電路本身的封裝材料引入2~6pF電容。一個(gè)線路板上的接插件，有520nH的分布電感。一個(gè)雙列直插的24引腳集成電路插座，引入4~18nH的分布電感。
這些小的分布參數(shù)對(duì)于運(yùn)行在較低頻率下的微控制器系統(tǒng)是可以忽略不計(jì)的；而對(duì)于高速系統(tǒng)必須予以特別注意。
下面便是避免PCB布線分布參數(shù)影響而應(yīng)該遵循的一般要求：
(1) 增大走線的間距以減少電容耦合的串?dāng)_；
(2) 平行地布電源線和地線以使PCB電容達(dá)到最佳；
(3) 將敏感的高頻線布在遠(yuǎn)離高噪聲電源線的地方以減少相互之間的耦合；
(4) 加寬電源線和地線以減少電源線和地線的阻抗。
3.2 分割：
分割是指用物理上的分割來(lái)減少不同類型線之間的耦合，尤其是通過(guò)電源線和地線的耦合。
圖2給出了用分割技術(shù)將4個(gè)不同類型的電路分割開的例子。在地線面，非金屬的溝用來(lái)隔離四個(gè)地線面。L和C作為板子上的每一部分的過(guò)濾器，減少不同電路電源面間的耦合。高速數(shù)字電路由于其更高的瞬時(shí)功率需求而要求放在靠近電源入口處。接口電路可能會(huì)需要抗靜電放電（ESD）和暫態(tài)抑制的器件或電路來(lái)提高其電磁抗擾性，應(yīng)獨(dú)立分割區(qū)域。對(duì)于L和C來(lái)說(shuō)，最好不同分割區(qū)域使用各自的L和C，而不是用一個(gè)大的L和C，因?yàn)檫@樣它便可以為不同的電路提供不同的濾波特性。