PCB電路設計中布線(xiàn)的EMC分析

摘要：PCB電路設計在生產(chǎn)生活中至關(guān)重要，本文從電磁兼容這一問(wèn)題出發(fā)，討論PCB電路設計，以及在設計PCB電路過(guò)程中存在的電磁干擾等問(wèn)題。分析單線(xiàn)，多導體線(xiàn)和元器件的設置、路線(xiàn)，從而得出關(guān)于PCB電路中布線(xiàn)的一些設計規范和技能。如果將這些原則和規范使用于電路設計的最初環(huán)節，那么存在于布線(xiàn)中的電磁干擾問(wèn)題就會(huì )被PCB電路設計師很快的解決。

所謂PCB(Printed Circuit Board)，實(shí)際上就是印制線(xiàn)路板，它是一種較為重要的電子產(chǎn)品，是電子元器件電氣連接的提供者，在電路元件與電器件之間的銜接上，起重大的作用。是電子元器件的支撐體，對電路元件和器件起支撐作用?？垢蓴_能力的強弱直接受印制線(xiàn)路板設計的優(yōu)良影響。因此，線(xiàn)路的設置安排和抗干擾能力是設計師在設計線(xiàn)路時(shí)必須同時(shí)兼顧的。PCB印制線(xiàn)路板根據電路層數可分為單面板、雙面板和多層板。常見(jiàn)的多層板一般為4層板或6層板，復雜的多層板可達十幾層。

盡管電子工程人員經(jīng)過(guò)很多年的設計與實(shí)踐，已經(jīng)總結出了一些規范和設計經(jīng)驗，但是截至目前，國家在這一方面并沒(méi)有明確的要求和規則?；诖?，實(shí)踐中我們只能在設計電路過(guò)程中充分的運用設計原則和相關(guān)規則，進(jìn)行整體規劃與設計，尤其是進(jìn)行電路的抗干擾設計。做到以上這些，就能有效避免電路設計實(shí)踐中出現嚴重的電磁干擾問(wèn)題，而且還能有效的降低頻率和節約設計成本費用，對于有效減少電氣電路設計時(shí)間具有非常重要的作用。

1 印制電路板中電磁環(huán)境的構成

電磁干擾源，耦合途徑和接收器這3個(gè)部分組成一個(gè)簡(jiǎn)單的電磁干擾模型，如圖1所示。

微處理器、微控制器、靜電放電、傳送器以及瞬時(shí)功率執行元件都是常見(jiàn)的干擾源，在印制線(xiàn)路板中出現的頻率較高。時(shí)鐘電路通常情況下在一個(gè)微控制系統里是最大的寬帶噪聲發(fā)生器。

傳導耦合和輻射耦合二者共同構成了耦合途徑，在印制線(xiàn)路板中發(fā)揮著(zhù)重要作用。耦合途徑不同，產(chǎn)生的干擾問(wèn)題也就自然不同。比如：1)互感在導線(xiàn)之中頻頻發(fā)生，同時(shí)電容處于部分狀態(tài)下時(shí)，也可能會(huì )大幅度上升;2)印制板導線(xiàn)串擾;3)高頻信號經(jīng)印制導線(xiàn)時(shí)所產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng);4)因時(shí)鐘信號而導致的電磁輻射干擾現象;5)反射干擾;6)因一系列操作不當產(chǎn)生的干擾?？傊?，許多物件都有可能成為敏感元件，包括電子元件和導線(xiàn)。要想整體把握板子的整體布局和元器件的位置就需要在布線(xiàn)上面下功夫，只有合理的布線(xiàn)和達到電磁兼容性標準才是實(shí)現這一目的最佳途徑。

2 印制線(xiàn)路板中單根走線(xiàn)

PCB電路設計中，差分走線(xiàn)耦合較小，只占10～20%的耦合度，更多的還是對地的耦合。當地平面發(fā)生不連續時(shí)。無(wú)參考平面區域，差分走線(xiàn)耦合會(huì )提供回流通路。

PCB布線(xiàn)中要求避免直角走線(xiàn)的出現。直角走線(xiàn)對信號有著(zhù)負面影響，因此PCB中的走線(xiàn)一般采用具有45度拐角或圓弧拐角線(xiàn)。直角走線(xiàn)和非直角走線(xiàn)的差異主要有：1)拐角能等效為傳輸線(xiàn)上得容性負載，減少上升的時(shí)間;2)拐角也能抵御因不持續而造成的信號反射;3)電磁干擾會(huì )因直角尖端產(chǎn)生。

不同的拐角線(xiàn)，角度上具有明顯的差異性。圖2運用了FDTD數值方法進(jìn)行試驗，通過(guò)模擬對反射傳輸特性和反射特性這二者進(jìn)行對比。在45度外斜切面拐角線(xiàn)反射性與傳輸性能上，優(yōu)于其他兩種拐角線(xiàn)。這3種走線(xiàn)形式比圓弧的拐角線(xiàn)要差，但是弧度的刻劃成本比較高。這是因為圓弧的刻劃要求精湛的制版技術(shù)。精湛的技術(shù)必然會(huì )引起成本的增加，因此通常在選擇走線(xiàn)時(shí)，會(huì )將目光停留在45度外斜切面拐角線(xiàn)上。

3 對多導體傳輸線(xiàn)在應用中的串擾探析

傳送信號和機器的運作頻率在PCB電路設計中要注意適度原則，如果達到兆赫級，那么對線(xiàn)路的干擾就很?chē)乐?。走線(xiàn)間的干擾形成的主要原因是串擾問(wèn)題。PCB電氣電路設計過(guò)程中，應當適當地留意一下串擾問(wèn)題，盡可能地減少布線(xiàn)串擾問(wèn)題出現。實(shí)踐中可以看到，若發(fā)生串擾現象，通常至少會(huì )有3個(gè)導體和兩個(gè)線(xiàn)攜帶信號。如圖3所示，而第3條導線(xiàn)只是作為一種參考而言。

實(shí)踐中可以看到，源和受干擾電路之間的作用，通常會(huì )產(chǎn)生一種VS，該作用下的zs、zL會(huì )產(chǎn)生感應電壓和電流，其zs和源相互聯(lián)系，而zL主要與負載端相互聯(lián)系。

為減少干擾現象的出現，筆者特提出以下建議和設計規劃：1)以功能作為主要依據的邏輯器件，對總線(xiàn)結構進(jìn)行控制;2)元件物理距離最小化;3)布線(xiàn)走線(xiàn)長(cháng)度應嚴格控制;4)元件既要與I/o接口遠離，又要盡可能地避開(kāi)數據干擾;5)確保阻抗受控走線(xiàn)路徑的準確性，通常頻波能量較大一些的走線(xiàn)應當注意考慮;6)提供一些相交性的走線(xiàn)，以確保走線(xiàn)之間有適當的距離，確保電感耦合最小化;7)緊挨著(zhù)的布線(xiàn)層應當垂直，這樣可以減小層間電容耦合;8)加強信號與地面之間的間隔和距離控制;9)布線(xiàn)層要單獨隔開(kāi)，必須以相同軸線(xiàn)布線(xiàn)，確保布線(xiàn)層分置預實(shí)心平面結構之中。

4 印制線(xiàn)路板內部元器件的走線(xiàn)分布

通常情況下，功能單元與設備滿(mǎn)足電磁兼容性要求，主要是由電路的基本元件滿(mǎn)足電磁特性的程度決定。

選擇電磁元件時(shí)，電磁特性和電路裝配是必須考慮的兩個(gè)因素，否則選出的電磁元件是劣質(zhì)的。這主要是因為遠離基頻的元件響應特性決定了電磁兼容性是否實(shí)現。大多情況下，對外響應(比如引線(xiàn)的長(cháng)度)和元件之間耦合的程度由電路裝配決定。需要注意以下幾點(diǎn)。

PCB大小是首先要考慮到的一個(gè)因素。PCB尺寸要適中，過(guò)大過(guò)小都不合要求。如果太過(guò)，則印制時(shí)需有很多的線(xiàn)條，以此來(lái)增加阻抗、下挫抗噪聲性能，然其成本會(huì )隨之增加;如果太小，則缺乏散熱能力，受干擾對象便會(huì )擴展至相鄰的線(xiàn)條?；诖?，在確定特殊元件的位置之前，應當充分地測量PCB實(shí)際規格和尺寸;以電路功能為基礎，對電路中的所有元器件統一的規劃和調整。實(shí)際操作過(guò)程中，為了能夠最

大限度的降低高頻元器件線(xiàn)路耗損、降低參數分布復雜性，避免電磁干擾，就要想盡辦法隔開(kāi)，讓輸入和輸出元件之間存在距離?？s小元器件或導線(xiàn)之間的較高的電位差，避免因放電而造成短路問(wèn)題。電路調試過(guò)程中，若元器件帶有高電壓，則應當盡可能置于不容易碰到的位置。

同時(shí)還要注意用支架對其進(jìn)行有效的固定，若焊接159以上的元器件。則體型相對較大、較沉重的發(fā)熱元器件就不能適應印制板，應該被淘汰。這種元器件應該被配置在機箱的底板上。在安裝的同時(shí)應該將散熱問(wèn)題考慮在內。熱敏元件不能靠近發(fā)熱元件。

整機的結構要求應首先被考慮，特別是在布局可調節的元件時(shí)，比如電位器，開(kāi)關(guān)等。如果是機內調節的情況，那么應被安置在便于調節的區域，比如印制板的上面;如果是機外調節，則需考慮調節旋鈕。

印制板定位孔和固定支架需要的區域首先要騰出。對電路的全部元器件進(jìn)行分布設置時(shí)，要依據其功能單元，因此，要做到以下幾點(diǎn)：1)為了使信號更加流通，要考慮電路的流程，每個(gè)功能電路單元要被放置在合理的區域內，這樣也能使信號最大限度在統一的方向上;2)在進(jìn)行布局時(shí)，要緊緊圍繞各個(gè)功能電路的核心元件這一核心。元器件在排列時(shí)，應注意勻稱(chēng)、不雜亂、緊密這些原則。連接各元器件之間所用的導線(xiàn)要盡量減少;3)電路在高負荷狀態(tài)下運行時(shí)，需考慮實(shí)際分布狀況。最大限度地使元器件平行分布于電路之中。平行分布可以使外表狀況看上去更好看，方便裝焊，對大量的生產(chǎn)也有很大幫助;4)處于電路板邊緣的元器件，其位置與電路板中心距離不可超過(guò)2毫米;對于電路板而言，建議設計成矩形。長(cháng)是寬的1.5倍.或是1.3倍。

5 常用的EMC設計軟件

PCB板與外部的接口處的電磁輻射是分析時(shí)需要考慮的因素。此外，還要考慮PCB板中電源層的電磁輻射以及大功率布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的輻射問(wèn)題?，F在，在設計EMC軟件時(shí)已經(jīng)大量的應用了板級與系統級互連仿真，這兩者主要是建立在Cadence公司的技術(shù)上的。同時(shí)，SI/PUEMI的模擬分析也被應用于其中。

德國的INCASES公司發(fā)明了EMC-WORKBENCH，這一軟件在EMC模擬仿真分析有著(zhù)重要的推動(dòng)力。因此，INCASES公司成為行業(yè)的領(lǐng)軍者，為EMC的進(jìn)展做出重大貢獻。EMC-WORKBENCH為設計者提供幫助，特別是在電磁兼容這一技術(shù)難點(diǎn)上。同時(shí)使得設計過(guò)程發(fā)生改變，減少了工作量，刪去了一些設計程序。由于EMC模擬仿真技術(shù)的應用，因此促使PCB設計快步進(jìn)入到一個(gè)嶄新的時(shí)代，尤其是電子工程人員利用該技術(shù)可實(shí)現短期的高質(zhì)量、高可靠性設計。在實(shí)施EMC模擬仿真分析過(guò)程中，必然給電路設計、PCB制造行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)更大的機會(huì )和更為廣泛的發(fā)展空間。實(shí)踐中可以看到，一塊電路板可能來(lái)自于很多個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家，而且他們的功能性存在著(zhù)較大的差異，設計人員在對EMC進(jìn)行分析時(shí)，需全面了解元器件的自身特點(diǎn)，讓后方可對其進(jìn)行具體的模擬仿真操作。該項操作若以傳統的視角來(lái)看，似乎是一項非常艱巨的工程，然IBIS SPICE的出現，對EMC問(wèn)題分析而言，起到了非常大的促進(jìn)作用。

6 結束語(yǔ)

總而言之，在PCB實(shí)際設計過(guò)程中，一定要嚴格按照相關(guān)設計規范進(jìn)行，要符合抗干擾設計之原則和要求，只有這樣才能使電子電路處于最佳的性能狀態(tài)。PCB設計初期階段，需要對布線(xiàn)中的問(wèn)題進(jìn)行全面的考慮，這樣才能有效減少設計周期，提高設計質(zhì)量。