解析PCB電路設計中布線(xiàn)的EMC

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