印刷電路板（PCB）的電磁兼容設(shè)計(jì)

1．引言
　　印刷電路板(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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)。因此，在開(kāi)始時(shí)養(yǎng)成良好的PCB布線(xiàn)習(xí)慣是最省錢(qián)的辦法。

　　一點(diǎn)需要注意，PCB布線(xiàn)沒(méi)有嚴(yán)格的規(guī)定，也沒(méi)有能覆蓋所有PCB布線(xiàn)的專(zhuān)門(mén)的規(guī)則。大多數(shù)PCB布線(xiàn)受限于線(xiàn)路板的大小和覆銅板的層數(shù)。一些布線(xiàn)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(lài)于布線(xiàn)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：

　　圖1:印制板元器件布置圖

　　2．PCB上元器件布局

　　首先，要考慮PCB尺寸大校PCB尺寸過(guò)大時(shí)，印制線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(kāi)。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(xiàn)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(xiàn)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(kāi)關(guān)等)這三部分合理地分開(kāi)，使相互間的信號(hào)耦合為最校如圖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(xiàn)，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€(xiàn)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?？烧{(diào)電感線(xiàn)圈?？勺冸娙萜?。微動(dòng)開(kāi)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(xiàn)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(xiàn)，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(kāi)，避免模擬電路。數(shù)字電路和電源公共回線(xiàn)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(xiàn)長(zhǎng)度最校

　　(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(xiàn)之間不能有過(guò)長(zhǎng)的平行信號(hào)線(xiàn)。

　　(6)電磁干擾(EMI)濾波器要盡可能靠近EMI源，并放在同一塊線(xiàn)路板上。

　　(7) DC/DC變換器。開(kāi)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(xiàn)長(zhǎng)度最校

　　(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(kāi)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(xiàn)不要與大電流，高速開(kāi)關(guān)線(xiàn)平行。

　　3．PCB布線(xiàn)

　　3.1印刷線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)布在最外層。

　　PCB上的布線(xiàn)是有阻抗。電容和電感特性的。

　　阻抗：布線(xiàn)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(xiàn)的電容是由絕緣體(EoEr)電流到達(dá)的范圍(A)以及走線(xiàn)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(xiàn)的電感平均分布在布線(xiàn)中，大約為1nH/mm。

　　對(duì)于1盎司銅線(xiàn)來(lái)說(shuō)，在0.25mm(10mil)厚的FR4碾壓板上，位于地線(xiàn)層上方的0.5mm(20mil)寬。20mm(800mil)長(zhǎng)的線(xiàn)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(xiàn)路板上的走線(xiàn)。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(xiàn)的分布電容也會(huì)起作用。當(dāng)走線(xiàn)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(xiàn)效應(yīng)，噪聲通過(guò)走線(xiàn)向外發(fā)射。