線路板（PCB）級的電磁兼容設(shè)計
中國賽寶實驗室：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越嚴(yán)重，所以，電磁兼容問題也就成為一個電子系統(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的密度越來越高，PCB設(shè)計的好壞對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)計之外，良好的PCB布線在電磁兼容性中也是一個非常重要的因素。
既然PCB是系統(tǒng)的固有成分，在PCB布線中增強(qiáng)電磁兼容性不會給產(chǎn)品的最終完成帶來附加費用。但是，在印制線路板設(shè)計中，產(chǎn)品設(shè)計師往往只注重提高密度，減小占用空間，制作簡單，或追求美觀，布局均勻，忽視了線路布局對電磁兼容性的影響，使大量的信號輻射到空間形成騷擾。一個拙劣的PCB布線能導(dǎo)致更多的電磁兼容問題，而不是消除這些問題。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題。到最后，不得不對整個板子重新布線。因此，在開始時養(yǎng)成良好的PCB布線習(xí)慣是最省錢的辦法。
有一點需要注意，PCB布線沒有嚴(yán)格的規(guī)定，也沒有能覆蓋所有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。然而還是有一些普遍的規(guī)則存在，下面將對其進(jìn)行探討。
為了設(shè)計質(zhì)量好、造價低的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尺寸過大時，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過小，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，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做成一塊電路板。此外，布局中還應(yīng)特別注意強(qiáng)、弱信號的器件分布及信號傳輸方向途徑等問題。
在印制板布置高速、中速和低速邏輯電路時，應(yīng)按照圖1－①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，使相互間的信號耦合為最小。如圖1－②所示。
時鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時鐘輸入端都易產(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，這一點十分重要。
2.1 在確定特殊元件的位置時要遵守以下原則：
(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)試時手不易觸及的地方。
(3) 重量超過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)考慮散熱問題。熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。
(4) 對于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動開關(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)電路的功能單元對電路的全部元器件進(jìn)行布局時，要符合以下原則：
(1) 按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。
(2) 以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進(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。長寬比為3:2或4:3。電路板面尺寸大于200x150mm時．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：
電路元件和信號通路的布局必須最大限度地減少無用信號的相互耦合：
(1) 低電子信號通道不能靠近高電平信號通道和無濾波的電源線，包括能產(chǎn)生瞬態(tài)過程的電路。
(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) 安排電路時要使得信號線長度最小。
(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長的平行信號線。
(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)計者為了方便調(diào)試，會把信號線布在最外層。
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。
對于1盎司銅線來說，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。電阻會產(chǎn)生對高頻信號的反射和吸收。走線的分布電容也會起作用。當(dāng)走線長度大于噪聲頻率相應(yīng)波長的1/20時，就產(chǎn)生天線效應(yīng)，噪聲通過走線向外發(fā)射。
印刷線路板的過孔大約引起0.5pF的電容。一個集成電路本身的封裝材料引入2~6pF電容。一個線路板上的接插件，有520nH的分布電感。一個雙列直插的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)對于運行在較低頻率下的微控制器系統(tǒng)是可以忽略不計的；而對于高速系統(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減少不同類型線之間的耦合，尤其是通過電源線和地線的耦合。
圖2給出了用分割技術(shù)將4個不同類型的電路分割開的例子。在地線面，非金屬的溝用來隔離四個地線面。L和C作為板子上的每一部分的過濾器，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功率需求而要求放在靠近電源入口處。接口電路可能會需要抗靜電放電（ESD）和暫態(tài)抑制的器件或電路來提高其電磁抗擾性，應(yīng)獨立分割區(qū)域。對于L和C來說，最好不同分割區(qū)域使用各自的L和C，而不是用一個大的L和C，因為這樣它便可以為不同的電路提供不同的濾波特性。