剖析減小電磁干擾的PCB設計原則

摘要：PCB的有效抗干擾設計，是電子產(chǎn)品設計的關(guān)鍵環(huán)節，影響著(zhù)電路工作的可靠性及穩定性。文章剖析了電路板存在電磁干擾的主要原因，從電路板的選取、電路板元器件的布局、電源與地的布線(xiàn)和信號線(xiàn)的布線(xiàn)等方面總結出在PCB設計時(shí)有效抑制和防止電磁干擾的措施與原則。

0 引言

印刷電路板(俗稱(chēng)PCB)是電子產(chǎn)品中電路元件的載體，提供各電路元件之間的電氣連接，是各種電子設備最基本的組成部分，它的性能直接關(guān)系到電子設備質(zhì)量的好壞。隨著(zhù)信息化社會(huì )的發(fā)展和電子技術(shù)的發(fā)展，電路的集成度越來(lái)越高，電路板的尺寸越來(lái)越小，電路板上的元件密度越來(lái)越高，電子產(chǎn)品的運行速度越來(lái)越快，因此由其自身產(chǎn)生的電磁干擾問(wèn)題和兼容性問(wèn)題顯得更加突出，所以，如何減小PCB板的電磁干擾成為當今電子技術(shù)的熱門(mén)話(huà)題。一個(gè)電路板的電磁兼容問(wèn)題是一個(gè)電子系統能否正常工作的關(guān)鍵，影響著(zhù)電路或系統工作的可靠性及穩定性，為此在進(jìn)行PCB設計時(shí)要有效解決電磁干擾問(wèn)題。

文章將從分析現代智能高速電子系統中電路板存在電磁干擾的原因，總結出在PCB設計時(shí)應考慮的減小電磁干擾的措施與原則。

1 電路板存在電磁干擾的原因

在由開(kāi)關(guān)電源和微處理器構成的高速電子系統中，電路板的電磁干擾主要來(lái)自于自身存在的射頻干擾源、元器件、基本回路和差模與共模噪聲。

1.1 電路板上存在的射頻干擾源

在智能的高速電子系統中，電路板上的射頻干擾源主要來(lái)自微處理器系統、電源供電系統和振蕩器電路。

1.微處理器系統

微處理器的射頻(RF)噪聲產(chǎn)生于芯片內部并通過(guò)許多不同的可能方式耦合到外部，在所有輸入、輸出、電源和地同時(shí)存在，是潛在的噪聲，使到微處理器的每個(gè)引腳都可能有問(wèn)題。而最大的問(wèn)題是來(lái)自微處理器輸入和輸出引腳(I/O)的噪聲。這些噪聲主要產(chǎn)生于芯片內部的時(shí)鐘切換，通過(guò)輸入和輸出引腳連接到內部和外部的電纜并輻射出去，主要表現為短時(shí)脈沖波形干擾。

2.電源供電系統

電源供電系統包括電源穩壓器及其穩壓器和微控制器端的旁路電容。這些電路是系統中所有射頻能量的源頭，為芯片內的時(shí)序電路提供需要的切換電流。

3.振蕩器電路

振蕩器電路為系統提供快速的時(shí)鐘信號，在數字系統中，由于振蕩器的輸出緩沖是數字的，因此在將正弦波轉化為方波時(shí)會(huì )在輸出側產(chǎn)生諧波。內部運行產(chǎn)生的任何噪聲，比如時(shí)鐘緩沖，都會(huì )在輸出端顯示出來(lái)，并通過(guò)元件耦合傳播。

1.2 其他的電磁干擾原因

1.貼片器件和通孔元器件

貼片器件(SMD)因為感抗較小和元器件放置較近、在處理射頻能量時(shí)比引線(xiàn)芯片更好。通常，通孔元器件的引線(xiàn)電容在約80MHz時(shí)都會(huì )產(chǎn)生自振蕩(由容性變?yōu)楦行?。因此高于80MHz的噪聲要受到控制，如果設計中采用通孔元器件就要考慮許多嚴重的問(wèn)題。

2.基本回路

從微處理器傳送到另一芯片的每個(gè)邊緣跳變都是一個(gè)電流脈沖，電流脈沖流向接收芯片，流出接收芯片的接地引腳，然后通過(guò)地線(xiàn)返回到微處理器的接地引腳，就構成了一個(gè)基本回路。這樣的回路在電路中到處存在，任何噪聲電壓和它的附屬電流經(jīng)過(guò)最低阻抗路徑回到它產(chǎn)生的地方，從而造成影響。一個(gè)回路可以是信號線(xiàn)和它的返回路徑，電源和地之間的旁路，晶振和微處理器內的驅動(dòng)器，或者是從電源供應的電壓穩壓器到旁路電容的回路?；芈返膸缀蚊娣e越大，輻射就越強，因此，我們可以通過(guò)控制返回路徑的形狀和阻抗來(lái)減輕噪聲的傳播。

3.差模與共模噪聲

差模噪聲是信號通過(guò)線(xiàn)路傳輸到接收芯片，然后沿返回線(xiàn)路返回時(shí)產(chǎn)生的噪聲。兩條線(xiàn)路間存在著(zhù)差分電壓，這是每個(gè)信號要完成功能必然要產(chǎn)生的噪聲。這種噪聲產(chǎn)生的電場(chǎng)強度正比于頻率的平方、電流的大小和電流環(huán)路的面積，反比于觀(guān)測點(diǎn)到噪聲源的距離。因此，減小差模輻射的方法為：降低電路的工作頻率、減小信號環(huán)路的面積或減小信號電流的強度。在實(shí)際工作中最有效的方法是控制信號環(huán)路的面積。

共模噪聲是電壓同時(shí)沿信號線(xiàn)和返回線(xiàn)傳輸，兩者之間沒(méi)有差分電壓，由信號線(xiàn)和返回線(xiàn)共有的阻抗引起的噪聲。共模阻抗噪聲是大多數基于微處理器的系統最常見(jiàn)的噪聲源。這種噪聲產(chǎn)生的電場(chǎng)強度正比于頻率的大小、電流的大小和電纜的長(cháng)度，反比于觀(guān)測點(diǎn)到噪聲源的距離。減小共模輻射的方法有：降低地線(xiàn)阻抗，縮短線(xiàn)路的長(cháng)度，使用共模扼流圈。

2 PCB的設計原則

由于電路板集成度和信號頻率隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越高，不可避免的要帶來(lái)電磁干擾，所以在設計PCB時(shí)應遵循以下原則，使電路板的電磁干擾控制在一定的范圍內，達到設計要求和標準，提高電路的整體性能。

2.1 電路板的選取

PCB設計的首要任務(wù)是要適當地選取電路板的大小，尺寸過(guò)大會(huì )因元器件之間的連線(xiàn)過(guò)長(cháng)，導致線(xiàn)路的阻抗值增大，抗干擾能力下降;而尺寸過(guò)小會(huì )導致元器件布置密集，不利于散熱，而且連線(xiàn)過(guò)細過(guò)密，容易引起串擾。所以應根據系統所需元件情況，選擇合適尺寸的電路板。

電路板分為有單面板、雙面板和多層板。電路板層數的選取取決于電路要實(shí)現的功能、噪聲指標、信號和網(wǎng)線(xiàn)數量等。合理的層數設置可以減小電路自身的電磁兼容問(wèn)題。通常的選取原則是：①對于信號頻率為中低頻，元器件較少，布線(xiàn)密度屬于較低或中等時(shí)，選用單面板或雙面板;②對于布線(xiàn)密度高、集成度高且元器件較多時(shí)采用多層板;③對于信號頻率高、高速集成電路、元器件密集的選4層或層數更多的電路板。多層板在設計時(shí)可單獨某一層作為電源層、信號層和接地層。信號回路面積減小，降低差模輻射，為此多層板可以減小電路板的輻射和提高抗干擾能力。

2.2 電路板元器件的布局

在確定PCB尺寸后，應先確定特殊元件的位置，最后根據電路的功能單元，分塊的對電路的全部元件進(jìn)行布局。數字電路單元、模擬電路單元和電源電路單元應分開(kāi)，高頻電路單元和低頻電路單元也應分開(kāi)。通常，在布置高速、中速和低速電路時(shí)，應參考圖1的方式排列元器件;在布置帶有時(shí)鐘、CPU、存儲器、控制器和輸入輸出電路時(shí)，應參考圖2的方式排列元器件。常用電路板的布局原則如下。

1.確定特殊元件位置的原則：①發(fā)熱元件應放置在利于散熱的位置，例如PCB的邊緣，并遠離微處理器芯片;②特殊的高頻元件應緊挨著(zhù)放置，以縮短他們之間的連線(xiàn);③敏感元件應遠離時(shí)鐘發(fā)生器、振蕩器等噪聲源;④電位器、可調電感器、可變電容器、按鍵開(kāi)關(guān)等可調元件的布局應符合整機的結構需求，方便調節;⑤質(zhì)量較重的元件應采用支架固定;⑥EMI濾波器應靠近EMI源放置。

2.根據電路功能單元對電路的傘部元器件進(jìn)行布局的原則：①各功能電路應按照之間的信號流向確定相應的位置，方便布線(xiàn);②每個(gè)功能電路應先確定核心元件的位置，并圍繞核心元件放置其他元件，盡量縮短元件之間的連線(xiàn);③對高頻電路，應考慮元件之間的分布參數;④放置于電路板邊上的元件，應離電路板邊緣不小于2mm。⑤DC/DC變換器、開(kāi)關(guān)管和整流器應盡量靠近變壓器放置，以減小對外的輻射;⑥調壓元件和濾波電容器應靠近整流二極管放置。

2.3 電源與地的布線(xiàn)原則

PCB的電源與地的布線(xiàn)是否合理是整個(gè)電路板減小電磁干擾的關(guān)鍵所在。電源線(xiàn)和地線(xiàn)的設計是PCB中不可忽視的問(wèn)題，往往也是難度最大的一項設計，設計時(shí)應遵循以下原則。

1.電源與地的布線(xiàn)技巧

PCB上的布線(xiàn)是有阻抗、容抗和感抗等分布參數的特性。為了減小PCB布線(xiàn)的分布參數對高速電子系統的影響，對電源與地的布線(xiàn)原則為：①增大走線(xiàn)的間距以減少電容耦合的串擾;②電源線(xiàn)和地線(xiàn)應平行走線(xiàn)，以使分布電容達到最佳;③根據承載電流的大小，盡量加粗電源線(xiàn)和地線(xiàn)的寬度，減小環(huán)路電阻，同時(shí)使電源線(xiàn)和地線(xiàn)在各功能電路中的走向和信號的傳輸方向一致，這樣有助于提高抗干擾能力;④電源和地應直接走線(xiàn)在各自的上方，從而減小感抗和使回路面積最小，盡量使地線(xiàn)走在電源線(xiàn)下面;⑤地線(xiàn)越粗越好，一般地線(xiàn)的寬度不小于3mm;⑥將地線(xiàn)構成閉環(huán)路以縮小地線(xiàn)上的電位差值，提高抗干擾能力;⑦在多層板布線(xiàn)設計時(shí)，可將其中一層作為“全地平面”，這樣可以減少接地阻抗，同時(shí)又起到屏蔽作用。

2.各功能電路的接地技巧

PCB各功能電路的接地方式分為單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。單點(diǎn)接地根據連接形式分為單點(diǎn)串聯(lián)接地和單點(diǎn)并聯(lián)接地兩種方式，如圖3和圖4所示。單點(diǎn)串聯(lián)接地由于各接地導線(xiàn)長(cháng)度不同，各電路接地阻抗不同，電磁兼容性能降低，常用于保護接地。單點(diǎn)并聯(lián)接地各電路有獨自的接地線(xiàn)，因此相互之間的干擾小，但可能延長(cháng)接地線(xiàn)，增大接地阻抗，常用于信號接地、模擬接地、電源接地。多點(diǎn)接地是指各電路都有一個(gè)接地點(diǎn)，如圖5所示。多點(diǎn)接地常用于高頻電路，具有接地線(xiàn)短，接地阻抗值較小，減少高頻信號的干擾。

為了減少接地帶來(lái)的干擾，接地也要滿(mǎn)足一定的要求：①接地線(xiàn)盡可能要短，接地面要大;②避免產(chǎn)生不必要的接地回路，減小公共接地的干擾電壓;③接地原則是對于不同信號采取不同接地方式，不能把所有接地采取同一接地點(diǎn);④在設計多層PCB時(shí)，要把電源層和接地層盡可能放置在相鄰的層中，以便電路中形成層問(wèn)的電容，減小電磁干擾;⑤盡量避免強電和弱電信號，數字和模擬信號共地。

3.放置格柵化平面

對兩層板來(lái)說(shuō)，格柵化是最重要的設計技術(shù)。格柵化是在PCB上延伸地線(xiàn)并使用地填充模式來(lái)構建連接到地的格柵網(wǎng)絡(luò )，構成一個(gè)有效的地平面，和四層板一樣能夠減小噪聲。它有兩個(gè)目的：①模仿四層板的地層，為每一條信號線(xiàn)提供處于下方的返回路徑;②降低微處理器和電壓穩壓之間的阻抗。設計時(shí)應注意的原則是：①每條地線(xiàn)延伸盡可能填充印刷電路板的空間;②在兩層板上盡可能多的放置格柵;③尺寸上合適時(shí)使用盡可能多的通孔將頂層和底層的格柵連接起來(lái);④線(xiàn)路不一定要直角或同樣的寬度。

4.高頻去耦電容和鐵氧體磁珠的使用

數字電路中，當邏輯門(mén)的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì )在電源上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰脈沖，形成瞬間的噪聲電壓，這種情況普遍采用去耦電容或鐵氧體磁珠來(lái)限制電流的突然變化，減小輻射。通常在每個(gè)芯片的電源和地之間加上容量約為0.01μF～0.1μF的高頻去耦電容，在靠近芯片的電源線(xiàn)上放置鐵氧體磁珠，以阻斷來(lái)自電源線(xiàn)的射頻電流源。設計時(shí)應盡量做到：①采用鉭電容，而不要使用鋁電解電容，后者具有較大的內部電感;②電容距離芯片越近越好，去耦電容的引線(xiàn)不宜太長(cháng);③鐵氧體磁珠只用在+V的電源線(xiàn)上，不用在地線(xiàn)上;④鐵氧體磁珠盡量靠近噪聲源放置。

2.4 信號線(xiàn)的布線(xiàn)原則

1.減小線(xiàn)路的容性和感性串擾

布線(xiàn)時(shí)，即使在很短的距離內并行走線(xiàn)的線(xiàn)路之間也存在容性和感性串擾。容性耦合時(shí)，源端的上升沿會(huì )在受害者上引起一個(gè)上升沿。感性耦合時(shí)，受害者上的電壓改變與源端的改變正好相反。大部分串擾都是容性的，噪聲的大小正比于并行的距離、頻率、源端電壓的振幅和受害者的阻抗，反比于兩條線(xiàn)路離開(kāi)的距離。因此減小串擾的措施有：①使連接到微處理器的攜帶射頻噪聲的線(xiàn)路遠離其他信號;②應將可能成為噪聲受害者的信號的返回地線(xiàn)走線(xiàn)在其下方;③不要在電路板的外部邊緣走噪聲線(xiàn)路;④如果可能，將一些噪聲線(xiàn)路走線(xiàn)在一起然后用地線(xiàn)包圍;⑤使非噪聲線(xiàn)路遠離電路板上容易接收噪聲的區域，比如接插件、振蕩器電路、繼電器和繼電器驅動(dòng)器。

2.合理安排返回地線(xiàn)數目

在計算機工業(yè)中，電纜或導線(xiàn)中每9條信號線(xiàn)至少要有1根地線(xiàn)，這是很普遍的經(jīng)驗。高速時(shí)，這個(gè)比例變到5：1?？梢栽谠O計信號線(xiàn)和返回線(xiàn)路時(shí)考慮的原則：①最好是電纜中的每條信號線(xiàn)都有一條返回地線(xiàn)，組成雙絞線(xiàn)對;②不要超過(guò)每9條信號線(xiàn)有一條返回地線(xiàn);③如果電纜超過(guò)一英尺長(cháng)，應該每4條信號線(xiàn)有一條返回地線(xiàn);④如果可能，應該使用一個(gè)實(shí)心金屬支架作為機械支架，焊接在兩塊電路板之間，既作為安裝支架，也作為可靠的射頻返回地線(xiàn)。

3.其他的布線(xiàn)原則

①用作導線(xiàn)的銅箔在90度轉彎處會(huì )使導線(xiàn)的阻抗不連續，有可能產(chǎn)生反射干擾，所以應將90度的導線(xiàn)改成135度的走線(xiàn)，這樣有助于減少發(fā)生反射干擾;②雙面布線(xiàn)的PCB，上下兩層的布線(xiàn)應垂直交叉，以減少耦合，有利于抑制干擾;③采用隔離走線(xiàn)，在許多不得不平行走線(xiàn)的電路布線(xiàn)時(shí)可考慮在兩條信號線(xiàn)中加一條接地的隔離走線(xiàn);④所有線(xiàn)路盡量沿直流地鋪設，盡量避免沿交流地鋪設;⑤采用短接線(xiàn)，在線(xiàn)路無(wú)法排列或只有繞大圈才能走通的情況下，干脆用絕緣“飛線(xiàn)”連接，不用印刷線(xiàn)，或者用阻容元件引線(xiàn)直接跨接;⑥直流電路應遠離交流電路布線(xiàn)，輸入信號線(xiàn)與輸出信號線(xiàn)應分開(kāi);⑦信號走線(xiàn)不要有分支，應連貫地從一個(gè)元件到下一個(gè)元件，以避免反射干擾或諧波干擾;⑧時(shí)鐘等高頻信號線(xiàn)應靠近地線(xiàn)進(jìn)行布線(xiàn)，使環(huán)路面積最小，以減小差模輻射。

3 結束語(yǔ)

想完全消除電子產(chǎn)品中的電磁干擾是不可能的，我們只能采取必要措施減小電磁干擾，使電磁干擾控制在一定范圍內，而一個(gè)良好的印刷電路板的設計，是減小電磁干擾的重要環(huán)節。在印刷電路板設計時(shí)，可參考以上所提到的設計原則，但這些原則并不是一成不變，應該根據具體電路情況，靈活應用各種抗干擾的方法，才能最大程度地滿(mǎn)足電磁兼容的要求，這需要設計者平時(shí)的經(jīng)驗積累和總結。