印刷电路板的电磁兼容设计

licheng521

电磁兼容指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰，使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作，又能减少电子设备本身对其它电子设备的电磁干扰。随着电子设备的灵敏度越来越高，接受微弱信号的能力越来越强，电子产品频带越来越宽，尺寸越来越小，要求电子设备抗干扰能力越来越强。一些电子设备工作时所产生的电磁波，容易对周围的其它电子设备形成电磁干扰，引发故障或者影响信号的传输。另外，过度的电磁干扰会形成电磁污染，危害人们的身体健康，破坏生态环境。文章就PCB（印刷电路板，又叫印刷线路板）设计中电磁兼容的几种关键技术进行分析。
　　1 电源的设计
　　电子设备的电源广泛地同其它功能单元相连，一方面电源中产生的无用信号会很容易地耦合到各功能单元中去，另一方面，一个单元中的无用信号可能通过电源的公共阻抗耦合到其它单元去。因此，在电源设计中应采取以下措施。
　　（1）根据印刷电路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致；同时，在多层PCB中采用电源层和地层，减少电源线到电源层或地层的线长。这样有助于增强抗噪声能力；
　　（2）在可能的条件下，使电源单独为各功能单元供电，使用公共电源的所有电路尽可能彼此靠近，互相兼容；
　　（3）在交直流干线上使用电源滤波器，以防外部干扰通过电源进入设备，防止开关瞬变和设备内部产生的其它信号进入初级电源，有效隔离电源的输入和输出线及滤波器的输入和输出线；
　　（4）对电源进行有效的电磁场屏蔽，尽可能把高压电源同敏感电路隔离开，特别是开关电源，它会引起高频辐射和传导骚扰，用静电屏蔽的电源变压器抑制电源线上的共模干扰，多重屏蔽隔离变压器有更好的性能；
　　（5）对所有电路功能状态电源都应保持低输出阻抗，即使在射频范围，输出电容也应呈现低阻抗，同时保证稳压器有足够快的响应时间，以便抑制高频纹波和瞬变加载作用；
　　（6）整流二极管应工作在最低的电流密度上，为稳压二极管提供足够的射频旁路；
　　（7）电源变压器应该是对称平衡的，而不应该是功率配平的变压器，所用铁芯材料应取其饱和磁感应强度（Bm）的下限值。无论什么情况下必须保证不使铁芯驱动到饱和状态，变压器铁芯结构应优选D型和C型，E型最次之。
　　2  地线设计
　　地线噪声，即在系统内各个部分的地线之间出现电位差或因存在接地阻抗而引起接地噪声。由于接地系统存在地电位差的问题，在设计产品的接地过程中必须针对PCB的特点选择相应的接地方法。在电子产品设计中，接地是控制干扰的重要方法，如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。电子产品中地线结构大致有系统地、机壳地、数字地和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点：
　　（1）接地线应尽量加粗。若接地线条很细，则接地电位会随电流的变化而起伏，致使电子产品的定时信号电平不稳，抗噪声性能降低。因此设计时应将接地线尽量加粗，使它能通过三倍于印制电路板的允许电流。如有可能，接地线的宽度应大于3mm.
　　（2）正确选择接地方法。单点接地设置目的是为了防止来自两个不同的参考电平的子系统中的电流与射频电流经过同样的返回路径而导致共阻抗耦合。这种接地方法用在低频PCB中比较合适，可以减小分布传输阻抗的影响。但在高频PCB中，返回路径的电感在高频下成为线路阻抗的主要部分，因而在高频PCB中为使接地阻抗最小，通常采用多点接地法。多点接地最重要的是要求接地引线的长度最小，因为更长的引线意味着更大的电感，从而增加地阻抗，引起地电位差。混合接地结构是单点接地和多点接地的复合。在PCB中存在高低混合频率时常用这种结构，即在低频处呈现单点接地，而在高频处则呈现多点接地。
　　（3）数字地与模拟地分开。电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，两者的地线不要相混，应分别与电源端地线相连。低频电路的地线应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。要尽量加大线性电路的接地面积。
　　（4）接地线构成闭环路。设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时，将接地线做成闭路可以明显地提高抗噪声能力。因为印制电路板上有很多集成电路元件，尤其遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地线上产生较大的电位差，引起抗噪能力下降，若将接地线构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。
　　（5）使用光隔离器切断地环路干扰。用光连接通常有用光耦合器和用光纤连接。光耦合器的寄生电容一般为2pF,能为高频提供良好的隔离。光纤连接几乎没有寄生电容，但价高，安装、维护不便。
　　3  旁路与去耦设计
　　旁路是从元件或电缆中转移不想要的共模RF能量，旁路电容的主要功能是产生一个交流分量，从而消去进入易感区的那些不需要的能量，而去耦则是指去除在器件切换时从高频器件进入配电网络中的RF能量，去耦电容的主要作用是提供一个局部的直流电源给元器件，以减少开关噪声在板上的传播，和将噪声引导到地。
　　3.1电容的选择
　　选择旁路和去耦电容，可通过逻辑系列和所使用的时钟速度来计算所需电容器的自谐振频率，根据频率以及电路中的容抗来选择电容值。封装尺度尽量选择更低引线电感的SMT电容器，而不选择通孔式电容器。另外，产品设计也常常采用并联去耦电容来提供更大的工作频带，减少接地不平衡。并联电容系统，当工作频率高于自谐振频率时，大电容表现感性阻抗并随频率增大而增加；而小电容则表现为容性阻抗并随频率增加而减少，而且此时整个电容电路的阻抗比单独一个电容时的阻抗要小。
　　3.2旁路电容配置
　　旁路电容一般作为高频旁路器件来减少对电源模块的瞬态电源要求，通常铝电解电容和钽电容比较适合做旁路电容，其电容值取决于PCB板上的瞬态电流要求，一般在10~470LF范围内，若PCB板上有许多集成电路、高速开关电路和具有长引线的电源，则应选择大容量的电容。
　　3.3去耦电容配置
　　（1）电源输入端跨接10~100LF的电解电容器。如有可能，接100LF以上的更好；
　　（2）原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每4~8个芯片布置一个1~10pF的钽电容；
　　（3）对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入去耦电容；
　　（4）电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线；
　　（5）在印制板中由于有接触器、继电器、按钮等元件，操作时均会产生较大火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R取1~2K,C取2.2~47LF;
　　（6）CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源。
　　4  混合信号电路板的设计
　　了解电流回流到地的路径和方式是优化混合信号电路板设计的关键。不能仅仅考虑信号电流从哪儿流过，而忽略了电流的具体路径。如果必须对地线层进行分割，而且必须通过分割之间的间隙布线，可以先在被分割的地之间进行单点连接，形成两个地之间的连接桥，然后通过该连接桥布线。这样，在每一个信号线的下方都能够提供一个直接的电流回流路径，从而使形成的环路面积很小。混合信号PCB设计过程要注意以下几点：
　　（1）将PCB分区为独立的模拟部分和数字部分，实现模拟和数字电源分割，A/D转换器跨分区放置；
　　（2）不要对地进行分割。在电路板的模拟部分和数字部分下面敷设统一地；
　　（3）在电路板的所有层中，数字信号只能在电路板的数字部分布线，模拟信号只能在电路板的模拟部分布线；
　　（4）布线不能跨越分割电源面之间的间隙，必须跨越分割电源之间间隙的信号线要位于紧邻大面积地的布线层上；
　　（5）分析返回地电流实际流过的路径和方式；
　　（6）采用正确的布局、布线规则。
　　总之，随着电子产品复杂化、高速化、密集化，对PCB板的设计要求越来越高，特别是电磁兼容的设计问题越来越突出，而解决电磁兼容的关键问题在于对电源、地、旁路、去耦和混合信号电路等合理的设计。
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