电磁兼容PCB

PCB的EMC设计

PCB是构成电子设备的基础，保证PCB的电磁兼容性是整个系统设计的关键，

合理正确的PCB的布线和设计应该使得:

(l)板上的各部分电路相互间无干扰，都能正常工作;

(2)PcB对外的传导发射和辐射发射尽可能降低，达到有关标准要求;

(3)外部传导干扰和辐射干扰对PCB上的电路基本无影响。

1.1 PCB设计理论基础

1.电磁兼容设计的带宽

在数字电路系统中，电磁兼容设计的带宽与数字电路的工作频率是两个不同的概念，数字系统的工作频率是由信号的重复周期决定的，而电磁兼容性设计的带宽是由信号的上升沿、下降沿决定。器件对电磁辐射的贡献不是取决于系统的工作频率，而是取决于边沿速率。理论研究表明,在进行电磁兼容设计时，主要考虑信号上升沿的十倍频，如公式4一1所示。

式中fmax为谐波频率，fr为需要考虑的电磁兼容性的带宽。

快速的信号切换时间(边沿速率)将导致回流、串扰、阻尼振荡(振铃)及反射等问题的增加。信号的边沿速率与信号的工作频率是两个不同的概念，高的边沿速率不一定是高的频率。例如在实际的应用中，可能系统的工作频率并不高。但如果信号的上升速率过快的话，将会产生较大振铃现象，同样会带来信号完整性的问题。当振铃信号达到器件所能容忍的极限值时会使器件内部的半导体

特性发生变化(电子迁移)、器件发热及功耗加大等现象，造成系统的可靠性降低，并且较快的边沿速率其功耗也越大。

信号的边沿速率与器件的输出强度(输出驱动电流)有直接的关系，过强的输出驱动电流除了能够提高信号的边沿速率之外，还会对周围的器件及传输线造成干扰(Crosstalk)。因此对电磁兼容性(EMI)非常敏感的系统，信号边沿速率是重点需要考虑的，而系统的时钟频率反而放在第二位考虑。

2.器件的分布参数

系统工作在低频情况下，电阻、电感、电容主要表现为集总参数，但当系统的工作频率较高时，元器件特性就较为复杂，这时候的元件就有很大的分布参数存在，比如分布电感、分布电容、分布互感、分布互电容等。在高频情况下电阻、电感、电容的等效电路如表4一1所示:

所以在高频PCB设计时，必须考虑导线等的分布参数，只有这样设计的PCB，才可以达到EMC设计的目的。

3.PCB的辐射原理

信号通路和它的回路通道之间的位移电流以及负载电流，形成了回路阻抗上的电压，这个电压产生了成为主要辐射源的共模电流。由于位移电流是在线电容充放电期间形成的，因此它的分布是不均匀的:在线的源端，它有最大值;而在负载端则为零。正是由于共模电流的存在，导致了PCB辐射的存在。

PCB上每一根走线和每一个元器件都存在天线辐射效应，辐射效应与芯片的尺寸成反比，而与工作电流环路尺寸和工作电流以及工作频率成正比。降低系统的工作频率，减小环路的面积，以及减小工作电流的突变是解决天线辐射效应的有效途径。

4.PCB布线的理论依据

在进行多层PCB布线时，首先要进行PCB的电磁兼容性分析。分析的基本原理是基尔霍夫定律和法拉第电磁感应定律。

(l)基尔霍夫定律

基尔霍夫定律表明，任何时域信号的传输都必须有一个完整的电路，而信号从源到负载的传输都必定沿着一个最低阻抗的路径。这个原理完全适合于射频电流的情况，如果射频电流不是经由设计中的电路到达负载的，那么就一定是通过某个客观存在的电路到达的，这个客观存在的电路多数是由一些分布的藕合元件连接的，构成这一非正常电路中的一些器件就会遭受电磁干扰。

(2)法拉第电磁感应定律

根据法拉第电磁感应定律，任何磁通变化都会在闭合电路中产生感生电动势，任何交变电流都会在空间产生电磁场。在数字电路设计中，人们最容易忽略的是存在于器件、导线、PCB走线和插头上的寄生电感、电容和导纳。

图4一2采取20一H规则后，RF能量辐射

(3)20一H规则

由于电源层与地层之间的电场是变化的，在板的边缘会向外辐射电磁干扰，称为边缘效应，如图4一1所示。可以将电源层内缩，使得电场只在接地层的X围内传导。为了减小边缘效应，要求所有的电源平面在物理尺寸上都比其临近的地平面小20H(H为电源平面和地平面之间的距离)，这就是20一H规则。若在布局布线时，遵循20一H规则，可以将电源对附近电路的藕合能量降低70%，当这个距离达到100H时，可以把辐射能量降低98%以上。当使用20一H规则后，板的边缘效应明显降低，如图4一2所示。

在数字电路子系统和模拟电路子系统的地分离的情况下，每个子系统内也要采用20一H规则，如图4一3所示，模拟地和数字地加“沟”进行隔离。

图4一3子系统的20一H规则

(4)3一W规则

为了减少线间串扰，应保证线间距足够大，当线中心距不小于3倍线宽时，则可保证70%的电场不互相干扰，称为3一w规则，其中w为线的宽度。布线的3一W规则如图4一4所示，3一W规则有助于设计的PCB满足EMC系统设计标准，并最大限度地减小PCB走线之间的藕合，如要达到98%的电场不互相干扰，可使用10一W规则。

图4一4布线间距的3一W规则

1.2PCB的分层规则

混合信号电路PCB的设计很复杂，元器件的布局、布线以及电源和地线的处理将直接影响到电路性能和电磁兼容性能。权衡系统的成本与EMC的设计要求，选择合理的布线层数。目前电路板己由单层、双层、四层板逐步向更多层电路板方向发展，多层PCB设计是达到电磁兼容标准的主要措施，在进行PCB分层设计时，要遵循以下规则:

1.关键电源平面与其对应的地平面相邻。电源平面的阻抗比地平面阻抗高，将电源平面与地平面相邻可形成祸合电容并与PCB板上的去祸电容一起降低电源平面的阻抗，同时获得较宽的滤波效果。研究表明，门的反转能量首先是由电源与地平面之间的电容来提供，其次才是由去祸电容决定[24]。同时地平面还可以对电源平面上的分布电流起到辐射屏蔽作用。

2.参考面应优选地平面。电源、地平面均能用作参考平面，且都具有一定的屏蔽作用。但相对而言，电源平面具有较高的特性阻抗，且与参考地电平之间存在较大的电位差，其屏蔽效果远低于地平面。

3.数字电路与模拟电路分层。在设计成本允许的情况下，最好把数字电路和模拟电路安排在不同的层上。如果必须要安排在同一个布线层上，则可以采用开沟、加接地线条、分割线等方法补救。模拟与数字的电源和地一定要分开，绝不能混用。

4.相邻层的关键信号走线不跨分割区。信号跨区将形成较大的信号环路，产生很强的辐射。如果在地线分割的情况下，信号线必须要跨区，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，如图4一5所示。这样，在每一个信号线的下面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。

图4一5桥上布线跨越数字地和模拟地

5.元件面下面有相对完整的地平面。对多层板必须尽可能保持地平面的完整性，通常不允许有信号线在地平面内走线。当布线密度太大时，可考虑在电源平面的边缘走线。

6.高频、高速、时钟等关键信号有一相邻地平面。这样设计的信号线与地线间的距离仅为PCB层间的距离，因此实际的电流总在信号线正下方的地线流动，形成最小的信号环路面积，减小辐射。

7.遵循20一H规则。为了避免电源平面层向自由空间辐射能量，所有的电源平面必须小于地平面，并向内缩进20H。为了更好地执行20一H规则，就要使电源和地平面间的厚度尽可能小。

1.3PCB的布局规则

忽视PCB布局将对产品的设计周期和后期解决EMI问题带来了不利。采用合理的PCB布局技术与系统化的设计方法，使PCB的传导发射和辐射发射尽可能降

低。

1.PCB的一般布局规则

(1)PcB上模拟电路和数字电路应各自有不同的空间布局。这种分区设计应确保阻止数字电路的地电流不流入 A/D(AnalogtoDigital，模拟数字转换)转换器中的模拟区域内。

(2)所有接地平面和电源平面应连续不断地延伸到电路板的连接插头区域内，并且交织进行。以确保连接器区域内各接点之间的地线或电源线也能方便地与地平面或电源平面相连接。

(3)不论是模拟电路还是数字电路都应充分接地，以减少电路环路的有效面积。

(4)所有元件与连接器都应安装在接地平面内，即接地平面应保持环绕每一个焊点和过孔。

(5)当PcB连接器插头附近有高速器件时，应就近安装一个屏蔽装置来阻止器件和引线之间的藕合。

2.功能分区布局

不同性质的电路应予以适当的隔离。模拟电路、高速数字电路以及噪声电路应加以分隔以降低子系统间的相互祸合，如图4一6所示。

图4一6功能分区示意图

3.接地布局

一个电子系统设计成功的关键是具有一个可靠稳定的电源和接地网络，良好的接地是成功PCB设计的基础。大部分的EMI问题都可以借助于良好的接地来解决。降低地线噪声必须正确认识和理解产生接地噪声的机制。因为所有的地线无论多长，都具有微小的阻抗，当电流流过地线时，就会在低的阻抗上产生电压降，而电压降会通过公共阻抗通道祸合到其它相关电路上去，对其它电路产生干扰。必须合理设计具有低阻抗的接地电路，在子系统进行隔离接地后，然后通过单点接地把功能子系统进行连接。不适当的地线布局易于辐射或拾取电磁能量。由于传输线的电感效应，因此在地线上有瞬间突变电流[29]存在时，将引发极大的脉冲电压。电感的端电压与其流过电流的变化率成正比。高频数字系统当晶体管开关时会产生突变电流;模拟系统则在负载电流改变时产生瞬间的电流变化因此，设计接地系统时必须注意电流的流通问题。

4.电源线布局

若空间许可，电源线应与地线平行。电源线的噪声通常由适当的电源滤波电容与去祸电容将之滤除，采用网状的地线或接地平面比采用网状的电源线更为重要，因此应优先考虑地线的布局，其次再考虑电源线的布局。

5.信号布局

在布局数字和模拟混合信号的PCB时，勿将数字和模拟信号混杂。如果模拟和数字信号必须混杂，要确保进行垂直走线以降低交互祸合的效应。电路板上的数字

电路、模拟电路、以及易产生噪声的电路应予以分隔，应先对敏感线路进行布线，并消除电路间的祸合路径。尤其要考虑时钟、复位和中断线路，千万不要将这些线路与高电流开关线路平行，否则容易被电磁祸合信号破坏，引起非预期的复位或中断。

2PCB的布线规则

PCB的布线要规整、流畅、美观可靠的实现电性能的要求，同时要兼顾EMC

设计的需要。

2.1.一般布线规则

(l)尽量选用低密度布线设计，并且信号走线尽量粗细一致，有利于阻抗匹配。对于射频电路，信号线的走向、宽度、线间距的不合理设计，可能造成信号传输线之间的交叉干扰。

(2)尽量避免输入输出端的导线相邻以及长距离的平行走线。为了减少长平行走线的串扰，可增大线条间距，或走线间插入地线。实验表明在PCB走线之间引入地线可以使电场串扰降低6dB:若地线的宽度加倍，可降低串扰 12dB。

(3)PCB上的走线宽度要均匀，不要发生线宽的突变。PCB走线拐弯处绝对不要采用90度的拐角，要采用圆弧或135度角，尽可能保持线路阻抗的连续性。(4)减小电流环的面积。这是因为载流电路对外的辐射强度与通过的电流、环路面积和信号频率的平方成正比。

(5)PCB插头上多安排彼此分散的地线引脚，有助于减少PCB插脚配线的环路面积及地线阻抗。

(6)选择放置IC的位置，以使IC之间的互连PCB走线尽可能短。把振荡器安置在尽可能靠近使用时钟的位置，同时要尽可能使它远离信号走线和低电平信号IC。

(7)尽量使用微带线与微带波导。若无法采用微带线或微带波导，则使PCB走线与地线尽可能靠近。

(8)在电源和IC之间增设电感，并增加去耦合电容的数量。

(9)对于开关控制信号，尽量减少同时改变状态的信号PCB走线数量。

2.2布地线

在多层PCB中有专门的地线层，在地线层上用“划沟”的方法来分地。但分地并不是把各种地完全隔离，而是仍在适当的位置把不同的地短接起来，以保证整个地线的连续性。

在实际布线时，一定要注意几个事项:

(l)多层板上的走线不要横跨地线层上的沟;

(2)A/D转换器芯片如只有一个地线引脚，则该芯片应安放在连接模拟地和数字地的桥上，避免数字信号回流绕沟而行;

(3)连接器不要跨装在地线沟上，因为沟两边的地电位可能差别较大，从而通过外接电缆产生共模辐射干扰;

(4)双面板的地线通常采用井字形网状结构，在一面把地线排成梳状，另一面安排几条与之垂直的地线，交叉处用过孔连接。网状结构能减小信号电流的环路面积。地线应尽可能地粗，以减小地线上的分布电感。

2.3.布电源线

电源线的宽度尽量加宽，长度尽量缩短，以减小电源阻抗引起的共阻抗祸合;同时电源线要尽量靠近地线，减小环路面积，同时增加电源与地本身形成的电容，提高滤波效果。

2.4.布信号线

不相容的信号线应相互远离不要平行进行走线，如数字与模拟，高速与低速，大电流与小电流，高电压与低电压等。分布在不同层上的信号线应相互垂直走线，这样可以减少线间的电场和磁场藕合干扰。信号线的布置最好根据信号的流动方向顺序安排，一个电路的输出信号线不要再折回输入信号线区域。

高速信号线要尽可能地短，以免干扰其他信号线。在双面板上，必要时可在高速信号线两侧加隔离地线。多层板上所有高速时钟线都应根据时钟线的长短，采用相应的屏蔽措施。

在PCB上不允许有任何电气上没有连接的金属存在，必须把它们就近接地。例如集成片上空闲的引脚、散热片、金属屏蔽罩、支架和板上没有利用的金属面等。