電路板級的電磁兼容設計

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，1盎司銅則有0.49m??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(8.854pF/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1nH/m。對于1盎司銅線(xiàn)來(lái)說(shuō)，在0.25mm (10mil)厚的FR4碾壓情況下，位于地線(xiàn)層上方的0.5mm (20mil)寬，20mm (800mil)長(cháng)的線(xiàn)能產(chǎn)生9.8m?的阻抗，20nH的電感以及與地之間1.66pF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。

下面便是PCB布線(xiàn)的普遍方針：

? 增大走線(xiàn)的間距以減少電容耦合的串擾；

? 平行的布電源線(xiàn)和地線(xiàn)以使PCB電容達到最佳；

? 將敏感的高頻線(xiàn)布在遠離高噪聲電源線(xiàn)的地方；

? 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．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19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。

3．局部電源和IC間的去耦

局部去耦能夠減少沿著(zhù)電源干線(xiàn)的噪聲傳播。連接著(zhù)電源輸入口與PCB之間的大容量旁路電容起著(zhù)一個(gè)低頻脈動(dòng)濾波器的作用，同時(shí)作為一個(gè)電勢貯存器以滿(mǎn)足突發(fā)的功率需求。此外，在每個(gè)IC的電源和地之間都應當有去耦電容，這些去耦電容應該盡可能的接近引腳。這將有助于濾除IC的開(kāi)關(guān)噪聲。

4．基準面的射頻電流

不管是對多層PCB的基準接地層還是單層PCB的地線(xiàn)，電流的路徑總是從負載回到電源。返回通路的阻抗越低，PCB的電磁兼容性能越好。由于流動(dòng)在負載和電源之間的射頻電流的影響，長(cháng)的返回通路將在彼此之間產(chǎn)生互耦。因此返回通路應當盡可能的短，環(huán)路區域應當盡可能的小。

5．布線(xiàn)分離

布線(xiàn)分離的作用是將PCB同一層內相鄰線(xiàn)路之間的串擾和噪聲耦合最小化。3W規范表明所有的信號（時(shí)鐘，視頻，音頻，復位等等）都必須象圖20所示那樣，在線(xiàn)與線(xiàn)，邊沿到邊沿間予以隔離。為了進(jìn)一步的減小磁耦合，將基準地布放在關(guān)鍵信號附近以隔離其他信號線(xiàn)上產(chǎn)生的耦合噪聲。

6．保護與分流線(xiàn)路

在時(shí)鐘電路中，局部去耦電容對于減少沿著(zhù)電源干線(xiàn)的噪聲傳播有著(zhù)非常重要的作用。但是時(shí)鐘線(xiàn)同樣需要保護以免受其他電磁干擾源的干擾，否則，受擾時(shí)鐘信號將在電路的其他地方引起問(wèn)題。

設置分流和保護線(xiàn)路是對關(guān)鍵信號，比如對在一個(gè)充滿(mǎn)噪聲的環(huán)境中的系統時(shí)鐘信號進(jìn)行隔離和保護的非常有效的方法。在圖21中，PCB內的并聯(lián)或者保護線(xiàn)路是沿著(zhù)關(guān)鍵信號的線(xiàn)路布放。保護線(xiàn)路不僅隔離了由其他信號線(xiàn)上產(chǎn)生的耦合磁通，而且也將關(guān)鍵信號從與其他信號線(xiàn)的耦合中隔離開(kāi)來(lái)。

分流線(xiàn)路和保護線(xiàn)路之間的不同之處在于分流線(xiàn)路不必被端接（與地連接），但是保護線(xiàn)路的兩端都必須連接到地。為了進(jìn)一步的減少耦合，多層PCB中的保護線(xiàn)路可以每隔一段就加上到地的通路。

7．接地技術(shù)

接地技術(shù)既應用于多層PCB，也應用于單層PCB。接地技術(shù)的目標是最小化接地阻抗，以此減少從電路返回到電源之間的接地回路的電勢。

a) 單層PCB的接地線(xiàn)

在單層（單面）PCB中，接地線(xiàn)的寬度應盡可能的寬，且至少應為1.5mm(60mil)。由于在單層PCB上無(wú)法實(shí)現星形布線(xiàn)，因此跳線(xiàn)和地線(xiàn)寬度的改變應當保持為最低的，否則將引起線(xiàn)路阻抗與電感的變化。

b) 雙層PCB的接地線(xiàn)

在雙層（雙面）PCB中，對于數字電路優(yōu)先使用地格柵/點(diǎn)陣布線(xiàn)，這種布線(xiàn)方式可以減少接地阻抗，接地回路和信號環(huán)路。像在單層PCB中，地線(xiàn)和電源線(xiàn)的寬度最少應為1.5mm。

另外的一種布局是將接地層放在一邊，信號和電源線(xiàn)放于另一邊。在這種布置方式中將進(jìn)一步減少接地回路和阻抗，去耦電容可以放置在距離IC供電線(xiàn)和接地層之間盡可能近的地方。

c) 保護環(huán)

保護環(huán)是一種可以將充滿(mǎn)噪聲的環(huán)境（比如射頻電流）隔離在環(huán)外的接地技術(shù)，這是因為在通常的操作中沒(méi)有電流流過(guò)保護環(huán)（參見(jiàn)圖22）。

d) 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)的平行布放也將導致這種電容效應。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。

e) 高速電路與低速電路

布放高速電路時(shí)應使其更接近接地面，而低速電路應使其接近電源面。

f) 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。

g) 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)鍵信號則布放為靠近電源面。圖23給出了一個(gè)典型的多層板的布線(xiàn)。

h) 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)（如圖24）。這同樣有助于避免電源之間的噪聲耦合。

8．布局布線(xiàn)技術(shù)

以下章節討論關(guān)于PCB布線(xiàn)的一些規則。

a) 過(guò)孔

過(guò)孔一般被使用在多層印制電路版中。當是高速信號時(shí)，過(guò)孔產(chǎn)生1到4nH的電感和0.3到0.8pF的電容到路徑。因此，當鋪設高