电磁兼容报告

PCB中的电磁兼容技术

PCB中的电磁兼容技术

一、引言

随着信息化社会的发展,电子产品的数量及种类不断增加,其功能和速度也

在不断提高, 使得印制电路板(PCB) 承载的电子器件和线路的密度飞速提高,随之而来的电磁兼容性(EMC Electro Magnetic Compatibility) 问题也变得越来越突出。PCB设计不再只是器件之间的电气连接,还必须考虑电磁兼容性。因此,在进行PCB 设计时,应根据实际需要选择合适的印制板板层设置,进行合理的元器件布局和信号走线,并采取一些基本的措施以降低电磁干扰,增强电路的抗干扰能力,满足电磁兼容性指标的要求。

二、EMC及相关概念

2.1 电磁兼容

电磁兼容(Electro Magnetic Compartibility——EMC 直译为“电磁兼容性”) 一般指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态。它是研究在有限的空间、时间和频率资源下各种设备和系统可以相互共存而不至于造成性能下降甚至无法正常工作的科学。它主要包括两个方面的内容：一是发射性；二是抗扰性。即电磁骚扰性和电磁敏感性。

电磁兼容是通过控制电磁干扰来实现的，电磁干扰产生的问题包含过量的电磁辐射及对电磁辐射的敏感性两方面。EMI表现为当数字系统加电运行时，会对周围环境辐射电磁波，从而干扰周围环境中电子设备的正常工作。它产生的主要原因是电路工作频率太高以及布局布线不合理。PCB是产生EMI的源头，所以PCB 设计直接关系到电子产品的电磁兼容性(EMC)。如果在高速PCB设计中对EMC/EMI 予以重视，将有助缩短产品研发周期加快产品上市时间。

2.2 PCB上的电磁干扰

2.2.1 元器件的高频寄生特性

在一块PCB 板上，导线、电阻、电容、电感等在不同频率下表现出不同的特性，如图1 所示：

图1 元器件在高低频时不同特性

导线:一般不把PCB 上的走线看做射频辐射器，除非走线特别长，并且频率很高，导线就会具有天线效应。

电阻:在纯数字电路中，电阻主要是用作限流和确定固定电平。但在射频系统中，电阻对EMI 的产生也是有贡献的。寄生电容存在于电阻的两端之间，它对极高频设计有很大的破坏。

电容:当电路频率超过电容自谐振频时，电容就出现电感特性了。电容器引脚上的寄生电感将使电容器在其自身谐振频率以上时表现为电感特性而失去其原有的功能。

电感:在数字电路中，电感用于对电磁干扰的抑制。对于电感来说，其电感阻抗随着频率的增加而增加，当频率很高时，高频信号的传递就会受到影响。

2.2.2 常见的电磁干扰

PCB 设计中存在的电磁干扰主要有:

?传导干扰

传导干扰主要通过导线耦合及共模阻抗耦合来影响其它电路。例如噪音通过电源电路进入某一系统，所有使用该电源的电路就会受到它的影响。

?串音干扰

串音干扰是由电容性干扰和电磁性干扰所引起的，是一个信号线路干扰另外一邻近的信号路径。它通常发生在邻近的电路和导体上，用电路和导体的互容和

互感来表征。

?辐射干扰

辐射干扰是由于空间电磁波的辐射而引入的干扰。PCB 中的辐射干扰主要是电缆和内部走线间的共模电流辐射干扰。当电磁波照射到传输线上时，将出现耦合问题，沿线引起的分布小电压源可分解为共模(CM) 和差模( DM) 分量。

三、PCB中的电磁兼容设计

3.1 器件的选择

3.1.1 器件封装

电子元器件的封装分为有铅封装和无铅封装两种。有铅封装的元器件有寄生效应，特别是在高频范围。从EMC的观点来看，首选应当是表贴元器件。

3.1.2 电阻的选择

因为低的寄生效应，表面贴电阻是首选。有铅封装类型的电阻选择顺序由高到低的次序是炭膜电阻>金属氧化膜电阻>绕线电阻。

3.1.3 电容的选择

旁路电容

旁路电容的主要作用是对交流旁路，滤掉从敏感区域进入的干扰。旁路电容主要担当高频的旁路器件，来减少在电源部分的瞬态电路的要求。通常，铝和钽电容是旁路电容的最佳选择，它们的取值取决于PCB 上瞬态电流的需要，但是通常取值在10～470uF,假如PCB 上有许多集成电路，开关电路和PCB 上带有长导线的程序存储单元，可能需要更大的电容。

去耦电容

在有源器件开关时产生的高频开关噪声通过电源线向其他地方散播，去耦电容的主要作用是局部稳定有源器件的直流电源，减小通过板子传播的开关噪音，

将这些噪音去耦到地。理想的讲，旁路电容和去耦电容应当在电源入口的地方尽力靠近放在一起，来滤掉高频噪声，去耦电容的取值大约是旁路电容的1/100 到1/1000, 去耦电容应当尽可能的靠近IC,因为导线电阻会降低去耦电容的作用.

储能电容

储能电容可为芯片提供所需要的电流，并且将电流变化局限在较小的范围内，从而减小辐射。储能电容一般放在下列位置：PCB 板的电源端；子卡、外围设备和子电路I/O 接口和电源终端连接处；功耗损毁电路和元器件的附近；输入电压连接器的最远位置；远于直流电压输入连接器的高密元件位置；时钟产生电路和脉动敏感器件附近。

3.2 PCB板层布局与EMC

PCB板设计的开始阶段就是层的设置,层设置不合理可能产生诸多的噪声而

形成电磁干扰和自身的EMC 问题,所以合理的层布局对电磁兼容性而言是十分重要的。PCB板层由电源层、地线层和信号层组成。层的选择、层的相对位置以及电源、地平面的分割、PCB板的布线、信号质量、接口电路的处理等都对PCB 板的EMC 指标起着至关重要的作用,也直接影响到整台电子产品的电磁兼容性。

3.2.1 PCB的层数选择

根据电源、地的种类、信号线的密集程度、信号频率、特殊布线要求的信号数量、周边要素、成本价格等方面的综合因素来确定PCB 板的层数。要满足EMC 的严格指标并且考虑制造成本,适当增加地平面是PCB 的EMC 设计最好的方法之一。对电源层而言,一般通过内电层分割能满足多种电源的需要,但若需要多种电源

供电,且互相交错,则必须考虑采用两层或两层以上的电源平面。对信号层而言,除了考虑信号线的走线密集度外,从EMC 的角度,还需要考虑关键信号(如时钟、复位信号等) 的屏蔽或隔离,以此确定是否增加相应层数。单面板和双面板虽然制造简单、装配调试方便,但只适用于一般电路要求,不适用于高组装密度或复杂电路的场合。尤其是高速数字电路、数模混合电路的PCB。由于没有好的参考平面,环路面积增大而使辐射增强,平行走线也不可避免。就EMC 要求而言,如果成本允许,在PCB设计时尽量不选择单面板或双面板。

3.2.2 PCB的层排列

PCB 的层排列也是有原则的,合理排列各层对PCB的抗干扰能力十分有益。PCB 设计中层排列的一些基本原则如下。

(1) 关键电源平面与其对应的地平面相邻。由于电源、地平面存在自身的特性阻抗,电源平面的阻抗比地平面阻抗高,相邻的两平面可形成耦合电容,并与PCB 板上的退耦电容一起降低电源平面的阻抗,同时获得较宽的滤波效果。

(2) 相邻层的关键信号不能跨分割区,从而避免形成较大的信号环路,降低产生较强辐射和敏感度等问题。

(3) 高频、高速、时钟等关键信号有一相邻地平面,这样设计的信号线与地平面间的距离仅为线路板层间的距离,高频电路将选择环路面积最小的路径流动,形成最小的信号环路面积,从而减少辐射。也就是说,与地线层相邻的信号层作为优选层进行信号走线。参考面的选择也应优选地平面,虽然电源平面、地平面皆可用作参考平面,且有一定的屏蔽作用。但相对而言,电源平面具有较高的特性阻抗,与参考电平存在较大的电位差。从屏蔽角度考虑,地平面一般均作接地处理,并作为基准电平参考点,其屏蔽效果远远优于电源平面。

(4) 避免电源层平面向自由空间辐射能量,使电源平面小于地平面,一般要求电源平面向内缩进20-H(即20-H原则, H指相邻电源平面与地平面的介质厚度) 。

3.3 PCB板元器件布局与EMC

PCB 板上元器件布局不当是引发干扰的重要因素。元器件本身也是一个干扰源和敏感器,尤其是集成电路等有源器件,其固有的敏感特性和电磁特性(比如频率特性、输入/输出阻抗特性、输入端的平衡/非平衡特性、翻转时间等)对电磁兼容问题产生重要影响。因此,元器件的合理布局,不仅更容易实现原理线路的连通,而且可以保证信号的完整性,满足电磁兼容性的标准。

元器件布局首先应满足系统的机械结构进行定位,把所有严格定位的器件(如变压器、传感器、散热器、显示器、可调式电位器、按键以及接口接插件等) 放好并锁定。一些质量较大的器件不宜直接安装在PCB 上,需要用支架并安装在机壳上。但从电磁兼容性考虑,元气件的布局须遵循一些共同的原则。

3.3.1 PCB 板的空间分割

对PCB 板进行空间分割的目的是为了降低PCB 上不同类型的元器件之间互相干扰。空间分割的实施方法就是对元器件进行分组,可以根据电源电压高低、数字器件或模拟器件、高速器件或低速器件以及电流大小等特点,对电路板上的不同电气单元进行功能分组,每个功能组的元器件彼此被紧凑地放置在一起以便得到最短的线路长度和最佳的功能特性。高压、大功率器件时,与低压、小功率器件应保持一定间距,尽量分开布线。

建议首先以不同的直流电源电压来分组,因为高低电源电压器件紧挨在一起,由于电位差而产生电场辐射干扰。如果使用同种电压的元器件中仍有数字和模拟元件之分,则可以再进行分组。按电源电压、数字及模拟电路分组后可进一步按速度快慢、电流大小进行分组。

3.3.2 敏感器件的处理

某些敏感器件例如锁相环,对噪音干扰特别敏感,他们需要更高层次的隔离。解决的方法是在敏感器件周围的电源铜箔上蚀刻出马蹄形绝缘沟槽,如图所示。

图2 马蹄形绝缘沟槽示意图

该器件使用的所有信号进出都通过狭窄的马蹄形根部的开口。噪音电流必然在开口周围经过而不会接近敏感部分。使用这种方法时,确保所有其他信号都远离被隔离的部分。这种设计方法可以避免能够引起干扰的噪音信号的产生,确保所有其他信号都远离被隔离的部分。

3.3.3 元器件布局时的其他基本原则

?连接器及其引脚应根据元器件在板上的位置确定。所有连接器最好放在印制板的一侧,尽量避免从两侧引出电缆,以便减小共模电流辐射。因为PCB板上有高速数字信号时,如果产生共模辐射,电缆是很好的共模辐射天线(振子天线会比单极天线产生更大的共模干扰辐射) 。

?I/O驱动器应紧靠连接器,避免I/O信号在板上长距离走线,耦合不必要的干扰信号。当高速数字集成芯片与连接器之间没有直接的信号交换时,高速数字集成芯片应安排在远离连接器处。否则,高速数字信号有可能通过电场或磁场耦合对输入/输出环路产生差模干扰,并通过接口电缆向外辐射。如果高速器件必须与连接器相连,则应把高速器件放在连接器处,尽量缩短走线,然后在稍远处安放中速器件,最远处安放低速器件。否则,高速信号将穿过整个印制板才能到达连接器,可能对沿途的的中低速电路产生干扰。

?高速器件(频率大于10MHz或上升时间小于2ns的器件) 在印制电路板上的走线尽可能短。

?发热元件(如ROM ,RAM、功率输出器件和电源等) 远离关键集成电路,最好放在边缘或偏上方部位,以利于散热。

?电感布局时,不要并行靠在一起,因为这样会形成空芯变压器并相互感应产生干扰信号,因此他们之间的距离至少要相当于其中一个器件的高度,或者成直角排列以将其互感减到最小。

?许多电磁干扰都来自电源,集成电路的退耦电容尽量靠近IC的电源引脚,且退耦电容的引线尽量短。建议使用表贴封装电容。

3.4 PCB的布线设计

拙劣的PCB 走线对信号的传输会产生极大的影响，导致更多的电磁兼容问题，因此布线时应遵循一些普遍准则：

输入输出端的导线尽量避免相邻长距离平行，可增大线条间距或走线间插入地线来减少平行串扰。

走线宽度不要突变，不要突然拐角，拐弯处一般走圆弧或135 度角。

减小电流流通过程的导线环路面积，是因为载流回路对外的辐射与通过电流、环路面积和信号频率成正比。

减少导线长度，增加导线宽度，有利于减少导线阻抗。

为使同一层内相邻线路间的串扰和噪声耦合最小，应予线间隔离以实现布线分离。

设置分流和保护线路，对关键信号进行隔离和保护。

电源线、地线及信号线走线时，除了要遵循走线的普遍准则外，还应依据自身的功能与特点进行布线。

3.4.1 电源线

电源线尽量加粗电源线宽度以减少环路电阻，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致。对于具有电源层和地层的多层PCB，应减少电源线到电源层或地层的线长。尽可能使电源单独为各功能单元供电，使用公共电源的所有电路尽可能彼此靠近，相互兼容。

3.4.2 地线

克服电磁干扰,最主要的手段就是接地。公共地线应尽量布置在PCB 板的边缘，且最好形成环形或网状以减小接地电位差。接地线应尽量加粗，尽可能多保留铜箔做地线以提高屏蔽效果。数字地与模拟地分开，模拟地中低频地应尽量采用单点并联，实际布线有困难时可部分串联后再并联，高频地宜采用多点串联。对于双面板,地线布置特别讲究，通过采用单点接地法，电源和地是从电源的两端接到印制线路板上来的，电源一个接点，地一个接点。印制线路板上，要有多个返回地线，并都汇聚到回电源的那个接点上，就是所谓单点接地。所谓模拟地、数字地、大功率器件地开分，是指布线分开，而最后都汇集到这个接地点上来。与印刷线路板以外的信号相连时，通常采用屏蔽电缆。对于高频和数字信号，屏蔽电缆两端都接地。低频模拟信号用的屏蔽电缆，一端接地为好。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地) 、数字地(逻辑地) 和模拟地等。

3.4.3 信号线

信号线要尽量短以减小干扰信号的耦合路径。先布时钟、敏感信号线，再布高速信号线，确保此类信号的过孔足够少，分布参数特性好以后，再布一般不重要的信号线。不相容信号线间要相互隔离以避免产生耦合干扰。关键信号线不能跨分割区走线，包括过孔、焊盘导致的参考平面间隙，否则会导致信号回路面积的增大，且为抑制边缘辐射效应，其距参考平面边沿距离应≥3H（H为线距离参考平面的高度）。强辐射信号线和敏感信号线要远离接口外出信号线，以避免相互间的耦合干扰，从而减小向外辐射与系统误操作。差分信号线应等长、同层且并行走线以保持阻抗一致，线间无其它走线以确保共模阻抗相等，提高其抗干扰能力。

四、结束语

PCB 的EMC设计是一项实践性非常强的技术工作，需要从功能模块分布、性能指标要求、成本承受能力等多方面进行综合考虑。若在设计之初对PCB中的EMC 进行预测分析和仿真，根据电磁兼容预测分析给出的结果，采取必要的技术措施来降低干扰，以提高PCB设计的质量。在产品设计之初，采用仿真软件如Apsim 对PCB进行电磁兼容预测分析，大体估计所设计PCB的电磁兼容性能。在设计中遵循分层对策、布局规则和走线准则，不仅能提高系统的抗干扰能力，而且还可以节约成本，降低费用。希望未来的PCB设计软件，能够更多地将一些电磁兼容性设计的规则集成到软件内部，从设计源头上就能仿真预测分析出可能存在的问题，并找出解决问题的方案。