基于電磁兼容的PCB設(shè)計(jì)

0 引言
PCB是英文(Printed Circuit Board)印制線路板的簡(jiǎn)稱。通常把在絕緣材料上，按預(yù)定設(shè)計(jì)，制成印制線路、印制元件或兩者組合而成的導(dǎo)電圖形稱為印制電路。而在絕緣基材上提供元器件之間電氣連接的導(dǎo)電圖形，稱為印制線路。這樣就把印制電路或印制線路的成品板稱為印制線路板，亦稱為印制板或印制電路板。PCB幾乎我們所能見到的電子設(shè)備都離不開它，小到電子手表、計(jì)算器、通用電腦，大到計(jì)算機(jī)、通訊電子設(shè)備、航空、航天、軍用武器系統(tǒng)，只要有集成電路等電子元器件，它們之間電氣互連都要用到PCB，它的性能直接關(guān)系到電子設(shè)備質(zhì)量的好壞。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品越來(lái)越趨向高速，高靈敏度，高密度，這種趨勢(shì)導(dǎo)致了PCB電路板設(shè)計(jì)中的電磁兼容(EMC)和電磁干擾問(wèn)題嚴(yán)重化，電磁兼容設(shè)計(jì)已成為PCB設(shè)計(jì)中急待解決的技術(shù)難題。

1 電磁兼容
電磁兼容(Electro―Magnetic Compatibility，簡(jiǎn)稱EMC)是一門新興綜合性學(xué)科，它主要研究電磁干擾和抗干擾問(wèn)題。電磁兼容性是指電子設(shè)備或系統(tǒng)在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下，不因電磁干擾而降低性能指標(biāo)，同時(shí)它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于限定的極限電平，不影響其它系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并達(dá)到設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互不干擾、共同可靠工作的目的。電磁干擾(EMI)產(chǎn)生是由于電磁干擾源通過(guò)耦合路徑將能量傳遞給敏感系統(tǒng)造成的，它包括由導(dǎo)線和公共地線的傳導(dǎo)、通過(guò)空間輻射或近場(chǎng)耦合3種基本形式。實(shí)踐證明，即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確，印制電路板設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會(huì)對(duì)電子設(shè)備的可靠性產(chǎn)生不利影響，所以保證印制電路板電磁兼容性是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
1．1 電磁干擾(EMI)
當(dāng)一個(gè)EMI問(wèn)題產(chǎn)生時(shí)，需要用3個(gè)元素來(lái)描述：干擾源、傳播路徑和接受者。如圖l所示：

因此我們要減小電磁干擾，就要在這三個(gè)元素上去想辦法。下面我們主要討論印制電路板的布線技術(shù)。

2 印制電路板的布線技術(shù)
良好的印制電路板(PCB)布線在電磁兼容性中是一個(gè)非常重要的因素。
2．1 PCB基本特性
一個(gè)PCB的構(gòu)成是在垂直疊層上使用了一系列的層壓、走線和預(yù)浸處理。在多層PCB中，設(shè)計(jì)者為了方便調(diào)試，會(huì)把信號(hào)線布在最外層。
PCB上的布線是有阻抗、電容和電感特性的。
阻抗：布線的阻抗是由銅和橫切面面積的重量決定的。例如，l盎司銅則有O．49 mΩ／單位面積的阻抗。電容：布線的電容是由絕緣體(EoEr)、電流到達(dá)的范圍(A)以及走線間距(h)決定的。用等式表達(dá)為C=EoErA／h，Eo是自由空間的介電常數(shù)(8．854 pF／m)，Er是PCB基體的相關(guān)介電常數(shù)(在FR4碾壓中為4．7)。
電感：布線的電感平均分布在布線中，大約為1 nH／m。
對(duì)于1盎司銅線來(lái)說(shuō)，在O．25 mm(10mil)厚的FR4碾壓情況下，位于地線層上方的0．5 mm(20 mil)寬，20 mm(800 mil)長(zhǎng)的線能產(chǎn)生9．8 m∧的阻抗，20 nH的電感以及與地之間1．66 pF的耦合電容。將上述值與元器件的寄生效應(yīng)相比，這些都是可以忽略不計(jì)的，但所有布線的總和可能會(huì)超出寄生效應(yīng)。因此，設(shè)計(jì)者必須將這一點(diǎn)考慮進(jìn)去。PCB布線的普遍方針：
(1)增大走線的間距以減少電容耦合的串?dāng)_；
(2)平行的布電源線和地線以使PCB電容達(dá)到最佳；
(3)將敏感的高頻線布在遠(yuǎn)離高噪聲電源線的地方；
(4)加寬電源線和地線以減少電源線和地線的阻抗。
2．2 分割
分割是指用物理上的分割來(lái)減少不同類型線之間的耦合，尤其是通過(guò)電源線和地線。
圖2給出了用分割技術(shù)將4個(gè)不同類型的電路分割開的例子。在地線面，非金屬的溝用來(lái)隔離四個(gè)地線面。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(shù)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(duì)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?yàn)檫@樣它便可以為不同的電路提供不同的濾波特性。