印刷電路板（PCB）的電磁兼容設計

　　(8) PCB電容

　　在多層板上，由分離電源面和地面的絕緣薄層產(chǎn)生了PCB電容。在單層板上，電源線(xiàn)和地線(xiàn)的平行布放也將存在這種電容效應。PCB電容的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它具有非常高的頻率響應和均勻的分布在整個(gè)面或整條線(xiàn)上的低串連電感，它等效于一個(gè)均勻分布在整個(gè)板上的去耦電容。沒(méi)有任何一個(gè)單獨的分立元件具有這個(gè)特性。

　　(9)高速電路與低速電路

　　布放高速電路和元件時(shí)應使其更接近接地面，而低速電路和元件應使其接近電源面。

　　(10)地的銅填充

　　在某些模擬電路中，沒(méi)有用到的電路板區域是由一個(gè)大的接地面來(lái)覆蓋，以此提供屏蔽和增加去耦能力。但是假如這片銅區是懸空的(比如它沒(méi)有和地連接),那么它可能表現為一個(gè)天線(xiàn)，并將導致電磁兼容問(wèn)題。

　　(11)多層PCB中的接地面和電源面

　　在多層PCB中，推薦把電源面和接地面盡可能近的放置在相鄰的層中，以便在整個(gè)板上產(chǎn)生一個(gè)大的PCB電容。速度最快的關(guān)鍵信號應當臨近接地面的一邊，非關(guān)鍵信號則布置靠近電源面。

　　(12)電源要求

　　當電路需要不止一個(gè)電源供給時(shí)，采用接地將每個(gè)電源分離開(kāi)。但是在單層PCB中多點(diǎn)接地是不可能的。一種解決方法是把從一個(gè)電源中引出的電源線(xiàn)和地線(xiàn)同其他的電源線(xiàn)和地線(xiàn)分隔開(kāi)，這同樣有助于避免電源之間的噪聲耦合。

　　5．模擬數字混合線(xiàn)路板的設計如何降低數字信號和模擬信號間的相互干擾呢？

　　有兩個(gè)基本原則：第一個(gè)原則是盡可能減小電流環(huán)路的面積；第二個(gè)原則是系統只采用一個(gè)參考面。相反，如果系統存在兩個(gè)參考面，就可能形成一個(gè)偶極天線(xiàn)(注：小型偶極天線(xiàn)的輻射大小與線(xiàn)的長(cháng)度。流過(guò)的電流大小以及頻率成正比)；而如果信號不能通過(guò)盡可能小的環(huán)路返回，就可能形成一個(gè)大的環(huán)狀天線(xiàn)(注：小型環(huán)狀天線(xiàn)的輻射大小與環(huán)路面積。流過(guò)環(huán)路的電流大小以及頻率的平方成正比)。在設計中要盡可能避免這兩種情況。

　　有人建議將混合信號電路板上的數字地和模擬地分割開(kāi)，這樣能實(shí)現數字地和模擬地之間的隔離。盡管這種方法可行，但是存在很多潛在的問(wèn)題，在復雜的大型系統中問(wèn)題尤其突出。最關(guān)鍵的問(wèn)題是不能跨越分割間隙布線(xiàn)，一旦跨越了分割間隙布線(xiàn)，電磁輻射和信號串擾都會(huì )急劇增加。在PCB設計中最常見(jiàn)的問(wèn)題就是信號線(xiàn)跨越分割地或電源而產(chǎn)生EMI問(wèn)題。

　　了解電流回流到地的路徑和方式是優(yōu)化混合信號電路板設計的關(guān)鍵。許多設計工程師僅僅考慮信號電流從哪兒流過(guò)，而忽略了電流的具體路徑。如果必須對地線(xiàn)層進(jìn)行分割，而且必須通過(guò)分割之間的間隙布線(xiàn)，可以先在被分割的地之間進(jìn)行單點(diǎn)連接，形成兩個(gè)地之間的連接橋，然后通過(guò)該連接橋布線(xiàn)。這樣，在每一個(gè)信號線(xiàn)的下方都能夠提供一個(gè)直接的電流回流路徑，從而使形成的環(huán)路面積很校采用光隔離器件或變壓器也能實(shí)現信號跨越分割間隙。對于前者，跨越分割間隙的是光信號；在采用變壓器的情況下，跨越分割間隙的是磁常還有一種可行的辦法是采用差分信號：信號從一條線(xiàn)流入從另外一條信號線(xiàn)返回，這種情況下，不需要地作為回流路徑。

　　在實(shí)際工作中一般傾向于使用統一地，將PCB分區為模擬部分和數字部分。模擬信號在電路板所有層的模擬區內布線(xiàn)，而數字信號在數字電路區內布線(xiàn)。在這種情況下，數字信號返回電流不會(huì )流入到模擬信號的地。只有將數字信號布線(xiàn)在電路板的模擬部分之上或者將模擬信號布線(xiàn)在電路板的數字部分之上時(shí)，才會(huì )出現數字信號對模擬信號的干擾。出現這種問(wèn)題并不是因為沒(méi)有分割地，真正原因是數字信號布線(xiàn)不適當。

　　在將A/D轉換器的模擬地和數字地管腳連接在一起時(shí)，大多數的A/D轉換器廠(chǎng)商會(huì )建議：將AGND和DGND管腳通過(guò)最短的引線(xiàn)連接到同一個(gè)低阻抗的地上。如果系統僅有一個(gè)A/D轉換器，上面的問(wèn)題就很容易解決。將地分割開(kāi)，在A(yíng)/D轉換器下面把模擬地和數字地部分連接在一起。采取該方法時(shí)，必須保證兩個(gè)地之間的連接橋寬度與IC等寬，并且任何信號線(xiàn)都不能跨越分割間隙。如果系統中A/D轉換器較多，例如10個(gè)A/D轉換器怎樣連接呢？如果在每一個(gè)A/D轉換器的下面都將模擬地和數字地連接在一起，則產(chǎn)生多點(diǎn)相連，模擬地和數字地之間的隔離就毫無(wú)意義。而如果不這樣連接，就違反了廠(chǎng)商的要求。

　　最好的辦法是開(kāi)始時(shí)就用統一地。將統一的地分為模擬部分和數字部分。這樣的布局布線(xiàn)既滿(mǎn)足了IC器件廠(chǎng)商對模擬地和數字地管腳低阻抗連接的要求，同時(shí)又不會(huì )形成環(huán)路天線(xiàn)或偶極天線(xiàn)而產(chǎn)生EMC問(wèn)題。

　　混合信號PCB設計是一個(gè)復雜的過(guò)程，設計過(guò)程要注意以下幾點(diǎn)：

　　(1) PCB分區為獨立的模擬部分和數字部分。

　　(2)合適的元器件布局。

　　(3) A/D轉換器跨分區放置。

　　(4)不要對地進(jìn)行分割。在電路板的模擬部分和數字部分下面敷設統一地。

　　(5)在電路板的所有層中，數字信號只能在電路板的數字部分布線(xiàn)；模擬信號只能在電路板的模擬部分布線(xiàn)。

　　(6)實(shí)現模擬和數字電源分割。

　　(7)布線(xiàn)不能跨越分割電源面之間的間隙。

　　(8)必須跨越分割電源之間間隙的信號線(xiàn)要位于緊鄰大面積地的布線(xiàn)層上。

　　(9)分析返回地電流實(shí)際流過(guò)的路徑和方式。

　　(10)采用正確的布線(xiàn)規則。

　　6．PCB設計時(shí)的電路措施

　　我們在設計電子線(xiàn)路時(shí)，比較多考慮的是產(chǎn)品的實(shí)際性能，而不會(huì )太多考慮產(chǎn)品的電磁兼容特性和電磁騷擾的抑制及電磁抗干擾特性。用這樣的電路原理圖進(jìn)行PCB的排板時(shí)為達到電磁兼容的目的，必須采取必要的電路措施，即在其電路原理圖的基礎上增加必要的附加電路，以提高其產(chǎn)品的電磁兼容性能。實(shí)際PCB設計中可采用以下電路措施：

　　(1)可用在PCB走線(xiàn)上串接一個(gè)電阻的辦法，降低控制信號線(xiàn)上下沿跳變速率。

　　(2)盡量為繼電器等提供某種形式的阻尼(高頻電容。反向二極管等)。

　　(3)對進(jìn)入印制板的信號要加濾波，從高噪聲區到低噪聲區的信號也要加濾波，同時(shí)用串終端電阻的辦法，減小信號反射。

　　(4) MCU無(wú)用端要通過(guò)相應的匹配電阻接電源或接地?；蚨x成輸出端，集成電路上該接電源。地的端都要接，不要懸空。

　　(5)閑置不用的門(mén)電路輸入端不要懸空，而是通過(guò)相應的匹配電阻接電源或接地。閑置不用的運放正輸入端接地，負輸入端接輸出端。

　　(6)為每個(gè)集成電路設一個(gè)高頻去耦電容。每個(gè)電解電容邊上都要加一個(gè)小的高頻旁路電容。

　　(7)用大容量的鉭電容或聚酯電容而不用電解電容作電路板上的充放電儲能電容。使用管狀電容時(shí)，外殼要接地。

　　7．結束語(yǔ)、

　　印制線(xiàn)路板是電子產(chǎn)品最基本的部件，也是絕大部分電子元器件的載體。當一個(gè)產(chǎn)品的印制線(xiàn)路板設計完成后，可以說(shuō)其核心電路的騷擾和抗擾特性就基本已經(jīng)確定下來(lái)了，要想再提高其電磁兼容特性，就只能通過(guò)接口電路的濾波和外殼的屏蔽來(lái)“圍追堵截”了，這樣不但大大增加了產(chǎn)品的后續成本，也增加了產(chǎn)品的復雜程度，降低了產(chǎn)品的可靠性?？梢哉f(shuō)一個(gè)好的印制線(xiàn)路板可以解決大部分的電磁騷擾問(wèn)題，只要同時(shí)在接口電路排板時(shí)增加適當瞬態(tài)抑制器件和濾波電路就可以同時(shí)解決大部分抗擾度問(wèn)題。印制線(xiàn)路板的電磁兼容設計是一個(gè)技巧性很強的工作，同時(shí)，也需要大量的經(jīng)驗積累。一個(gè)電磁兼容設計良好的印制板是一個(gè)完美的“工藝品”，是無(wú)法抄襲和照搬的。但這并不是說(shuō)我們的印制線(xiàn)路板就不必考慮產(chǎn)品的電磁兼容性能，只有通過(guò)外圍電路和外殼進(jìn)行補救了。只要我們在PCB設計中能遵守本文所羅列的設計規則，也可以解決大部分的電磁兼容問(wèn)題，再通過(guò)少量的外圍瞬態(tài)抑制器件和濾波電路及適當的外殼屏蔽和正確的接地，就可以完成一個(gè)滿(mǎn)足電磁兼容要求的產(chǎn)品。若我們注意平時(shí)的經(jīng)驗和技術(shù)的積累和總結，最終我們也可以成為PCB“工藝品”設計大師，設計出自己的PCB“工藝極品”。