基于電磁兼容的PCB設計

0 引言
PCB是英文(Printed Circuit Board)印制線(xiàn)路板的簡(jiǎn)稱(chēng)。通常把在絕緣材料上，按預定設計，制成印制線(xiàn)路、印制元件或兩者組合而成的導電圖形稱(chēng)為印制電路。而在絕緣基材上提供元器件之間電氣連接的導電圖形，稱(chēng)為印制線(xiàn)路。這樣就把印制電路或印制線(xiàn)路的成品板稱(chēng)為印制線(xiàn)路板，亦稱(chēng)為印制板或印制電路板。PCB幾乎我們所能見(jiàn)到的電子設備都離不開(kāi)它，小到電子手表、計算器、通用電腦，大到計算機、通訊電子設備、航空、航天、軍用武器系統，只要有集成電路等電子元器件，它們之間電氣互連都要用到PCB，它的性能直接關(guān)系到電子設備質(zhì)量的好壞。隨著(zhù)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品越來(lái)越趨向高速，高靈敏度，高密度，這種趨勢導致了PCB電路板設計中的電磁兼容(EMC)和電磁干擾問(wèn)題嚴重化，電磁兼容設計已成為PCB設計中急待解決的技術(shù)難題。

1 電磁兼容
電磁兼容(Electro―Magnetic Compatibility，簡(jiǎn)稱(chēng)EMC)是一門(mén)新興綜合性學(xué)科，它主要研究電磁干擾和抗干擾問(wèn)題。電磁兼容性是指電子設備或系統在規定的電磁環(huán)境電平下，不因電磁干擾而降低性能指標，同時(shí)它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于限定的極限電平，不影響其它系統的正常運行，并達到設備與設備、系統與系統之間互不干擾、共同可靠工作的目的。電磁干擾(EMI)產(chǎn)生是由于電磁干擾源通過(guò)耦合路徑將能量傳遞給敏感系統造成的，它包括由導線(xiàn)和公共地線(xiàn)的傳導、通過(guò)空間輻射或近場(chǎng)耦合3種基本形式。實(shí)踐證明，即使電路原理圖設計正確，印制電路板設計不當，也會(huì )對電子設備的可靠性產(chǎn)生不利影響，所以保證印制電路板電磁兼容性是整個(gè)系統設計的關(guān)鍵。
1．1 電磁干擾(EMI)
當一個(gè)EMI問(wèn)題產(chǎn)生時(shí)，需要用3個(gè)元素來(lái)描述：干擾源、傳播路徑和接受者。如圖l所示：

因此我們要減小電磁干擾，就要在這三個(gè)元素上去想辦法。下面我們主要討論印制電路板的布線(xiàn)技術(shù)。

2 印制電路板的布線(xiàn)技術(shù)
良好的印制電路板(PCB)布線(xiàn)在電磁兼容性中是一個(gè)非常重要的因素。
2．1 PCB基本特性
一個(gè)PCB的構成是在垂直疊層上使用了一系列的層壓、走線(xiàn)和預浸處理。在多層PCB中，設計者為了方便調試，會(huì )把信號線(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，l盎司銅則有O．49 mΩ／單位面積的阻抗。電容：布線(xiàn)的電容是由絕緣體(EoEr)、電流到達的范圍(A)以及走線(xiàn)間距(h)決定的。用等式表達為C=EoErA／h，Eo是自由空間的介電常數(8．854 pF／m)，Er是PCB基體的相關(guān)介電常數(在FR4碾壓中為4．7)。
電感：布線(xiàn)的電感平均分布在布線(xiàn)中，大約為1 nH／m。
對于1盎司銅線(xiàn)來(lái)說(shuō)，在O．25 mm(10mil)厚的FR4碾壓情況下，位于地線(xiàn)層上方的0．5 mm(20 mil)寬，20 mm(800 mil)長(cháng)的線(xiàn)能產(chǎn)生9．8 m∧的阻抗，20 nH的電感以及與地之間1．66 pF的耦合電容。將上述值與元器件的寄生效應相比，這些都是可以忽略不計的，但所有布線(xiàn)的總和可能會(huì )超出寄生效應。因此，設計者必須將這一點(diǎn)考慮進(jìn)去。PCB布線(xiàn)的普遍方針：
(1)增大走線(xiàn)的間距以減少電容耦合的串擾；
(2)平行的布電源線(xiàn)和地線(xiàn)以使PCB電容達到最佳；
(3)將敏感的高頻線(xiàn)布在遠離高噪聲電源線(xiàn)的地方；
(4)加寬電源線(xiàn)和地線(xiàn)以減少電源線(xiàn)和地線(xiàn)的阻抗。
2．2 分割
分割是指用物理上的分割來(lái)減少不同類(lèi)型線(xiàn)之間的耦合，尤其是通過(guò)電源線(xiàn)和地線(xiàn)。
圖2給出了用分割技術(shù)將4個(gè)不同類(lèi)型的電路分割開(kāi)的例子。在地線(xiàn)面，非金屬的溝用來(lái)隔離四個(gè)地線(xiàn)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。高速數字電路由于其更高的瞬時(shí)功率需量而要求放在電源入口處。接口電路可能會(huì )需要靜電釋放(ESD)和暫態(tài)抑制的器件或電路。對于L和C來(lái)說(shuō)，最好使用不同值的L和C，而不是用一個(gè)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。