PCB的电磁兼容性设计

《PCB的电磁兼容性设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PCB的电磁兼容性设计（6页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、.PCB的电磁兼容性设计 方玉龙 亳州职业技术学院摘要:随着信息化社会的开展，各种电了产品趋向于小型化、智能化，电子元器件也趋向于体积更小、速度更高、集成度更大。由此带来的电磁兼容问题也日益严重。所以，电磁兼容问题也就成为一个电工系统能否正常工作的关键。同样，随着电子技术的飞速开展，印刷电路板PCB的密度越来越高，PCB 设计的好坏对电路的干扰及抗干扰能力影响很大。因此，对PCB进展电磁兼容性(EMC)设计是非常重要的，保证PCB的电磁兼容性是整个系统设计的关键。本文分析了电磁干扰的产生机理和原因，提出了相应抗干扰设计的措施，。关键词:PCB设计；抗干扰；EMC；耦合；噪声1、引言目前各类电子

2、设备和系统中的器件仍以印制线路板PCB为主要装配方式，随着表贴元器件(SMD)制造水平的不断提高及外表贴装技术(SMT)的广泛应用，PCB的设计也向着高密度，细导线，小间距，多层次的方向开展，PCB的设计必须充分考虑电磁兼容性。对于PCB的EMC设计内容主要有PCB的总体设计、电源和地线布置、去藕设计和布线设计等。2、认识EMC2.1 EMC定义电磁兼容性EMC，Electromagnetic patibility，是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰

3、不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。随着信息化社会的开展，各种电子产品产生的电磁骚扰所造成的危害日益严重。因此，保护电磁环境、防止电磁污染，已引起社会的普遍关注，我国政府和世界各国以及有关国际组织都对各类电子产品的电磁兼容性制定了严格的标准。2.2 PCB的EMC设计必要性PCB就像一个产品的缩影。它是EMC技术中最值得探讨的局部，是设备工作频率最高的局部，同时也是电平最低、最为敏感的局部。在PCB的EMC设计中，实际上已经包含了接地设计、去耦旁路设计等。一个有着良好地平面的PCB，不但可以降低流过共模电流产生的压降，同时也是减少环

4、路的重要手段。因此，电磁兼容性是衡量一个电子产品合格与否的重要指标之一。在进展PCB设计时，必须考虑这一点。对于PCB的电磁兼容性问题，一般有三种解决方法：1问题解决法问题解决法主要指在建立系统前并不专门考虑电磁兼容性问题，待系统建成后再设法解决在调试过程中出现的电磁兼容性问题的方法。2 标准法为了满足电磁兼容性的要求，各国政府和工业部门尤其是军方都制订了很多强制执行的标准和标准，所谓标准法是指在采购系统的设备和设计建立子系统时必须满足已制订的标准。3系统法 系统法集中了电磁兼容性方面的研究成果，从系统的设计阶段的最初就用分析程序来预测在系统中将要遇到的那些电磁干扰问题，以便在系统设计过程中作

5、为根本问题来解决。为了提高电子产品的电磁兼容性，一般是几种方法综合运用。实践证明，在电子产品设计时就加以考虑(系统法)，可以获得较高的效费比如图1所示。图1 EMC与效费比23、EMC问题的三个因素系统要发生电磁兼容性问题，必须存在三个因素，即电磁干扰源、耦合途径、敏感设备。所以，在遇到电磁兼容问题时，要从这三个因素入手，对症下药。理论上，消除其中任一环节都能解决电磁兼容问题，但要彻底消除某一环节，是不可能的。因此实际中，是同时从各方面着手，寻求解决EMC问题的最主要因素。图2 电磁干扰来源1电磁干扰源任何形式的自然或电能装置所发射的电磁能量，能使共享同一环境的人或其它生物受到伤害，或使其它设

6、备、分系统或系统发生电磁危害，导致性能降级或失效，都称为电磁干扰源。如图2所示，电磁干扰源可分为外部干扰和内部干扰，两大类，其中以电子设备内部PCB及其上各元器件的固有噪声为主。对于外部干扰，可以用屏蔽等方法有效加以抑制。2耦合途径即传输电磁干扰的通路或媒介。各种干扰源和敏感设备之间的耦合途径有：传导、感应、辐射以及它们之间的组合。耦合主要发生在导线间、器件间及导线与器件间。3敏感设备敏感设备是指当受到电磁干扰源所发出的电磁能量的作用时，会受到影响导致性能降级或失效的器件、设备、分系统或系统。主要为电子设备内部各器件。由以上分析，可以看出电磁干扰的各个环节都与电子设备内部的器件有关，许多器件、

7、设备、或分系统既是电磁干扰源又是敏感设备，而电子设备的小型化和高度集成化，对PCB的设计、分块、元器件的布局，在电磁兼容性方面，提出了更高要求。下面就PCB设计中，主要的电磁兼容性问题，提出具体的技术措施。3、PCB的EMC设计与布局作为电子设备最根本的组成局部，PCB的EMC设计对于设备能否顺利地通过各项EMC试验显得至关重要。PCB良好的EMC设计，有事半功倍的效果，设计时必须认真考虑以下几点:3.1 PCB 的合理分层首先，根据电源/地的种类、信号线的密集程度、特殊布线要求的信号数量以及本钱价格等方面的综合因素来确定最终采用单层板、双面板还是多层板。使用多层印制电路板!可从构造上获得理想

8、的屏蔽效果：以中间层作电源线或地线，将电源线密封在板内，两面做绝缘处理，可使流经上下面的开关电流彼此不影响；印制板内层做成大面积的导电区，各导线面之间有很大的静电电容，形成阻抗极低的供电线路，可有效预防电路板辐射和接收噪声。实验说明，4层板比双面板噪声低20dB，6层板比4层板噪声低10dB。因此，如果本钱允许，采用多层板来解决EMC问题，不失为一种行之有效的途径。但是，在使用时需要注意多层板各层的设置。下表给出了优选的层设置。由表可见，分层时应该尽可能将电源面靠近地平面，并安排在接地平面之下，以充分利用平行金属板间电容对电源的平滑作用和地平面对电源的屏蔽作用；尽可能将信号层与整块金属面相邻，

9、以减小电流环路面积。表1 多层板布局方案 层数总层数123456789104S1GPS26优选S1GS2PGS36S1S2GPS3S46S1GS2S3PS48S1GS2GPS3GS410S1GS2P1S3GP2S4GS5注：S(signal信号层；G(ground)地层； P(power)电源层3.2 分割与布局在PCB的设计中，合理的分割与布局是一个重要的环节，其结果的好坏将直接影响最终走线的效果。分割是指用物理上的分割来减少不同类型线之间的耦合，尤其是通过电源线和地线的耦合。vmj安规与电磁兼容网图3给出了用分割技术将4个不同类型的电路分割开的例子。在地线面，非金属沟槽用来隔离四个地线面。

10、为减少不同电路电源面间的耦合，高速数字电路由于其更高的瞬时功率需求而要求放在靠近电源入口处。接口电路可能会需要抗静电放电(ESD)和暂态抑制的器件或电路来提高其电磁抗扰性，应独立分割区域。vmj安规与电磁兼容网图3电路板的模块分割3.3抑制电源线和地线阻抗引起的振荡设计装配密度很高的电路板应注意降低电源线和地线阻抗，对公共阻抗、串扰和反射等引起的波形畸变和振荡现象需采取必要措施。当电路板上有较多集成电路器件同时工作时，板上电源电压和地电位易产生波动，导致信号振荡，引起电路误动作。尤其当浪涌电流流过印制导线时，会出现瞬时电压降，形成电源尖峰噪声，其中以导线电感引起的干扰为主。在实际设计中，应尽量

11、防止该电感对电路的影响。在各集成电路的电源和地线间分别接入旁路电容，以缩短开关电流的流通途径。如图4所示，对于一般的印刷电路板，将电源线和地线设计成如图b所示的格子形状，而不用图a所示的梳子形状，这是因为格子状能显著缩短线路环路，降低线路阻抗，减少干扰!当印刷电路板上装有多个集成电路，且局部元件功耗较大，地线出现较大电位差，形成公共阻抗干扰时，宜将地线设计成如图d所示的封闭环路，这种环路无电位差，比图c所示的方式有更高的噪声容限；应尽量缩短引线，将各集成电路的GND以最短距离连到电路板入口地线，降低印制导线产生的尖峰脉冲；让地线、电源线走向与数据传输方向一致，以提高电路板的噪声容限。图4电源线

12、和地线之间的布局4集成电路板的接地设计大家最熟悉的“地就是自然界的地球。电子电器产品为了平安，最终需要把产品的某个金属导体接入大地。EMC中的接地可以最大限度的降低产品的EMI辐射，也可以最大限度的减少进入产品的外界干扰。电器设备的接地方式可以分为单点接地、多点接地和混合接地。其中单点接地又可以分为串联单点接地和并联单点接地.如图5所示。41 串联单点接地a图中，各工作单元共用一条地线，最后汇总到O点，此为串联单点接地方式。由于导线中电流存在，使得A、B、C各点电位均升高，而且存在电位差与导线长度有关，从而影响电路模块的正常工作，因此必须抑制。4.2 并联单点接地显然，地线中的阻抗产生的干扰电

13、压不会相互干扰其他单元的工作状态。但是，由于导线中电流存在，A、B、C各点电位均会升高。而且，随着信号频率的增加，地线中阻抗、地线间的电感及电容藕合均会加大，因此，这种接地方式只适合于低频电路。a串联单点接地示意图 b并联单点接地示意图c多点接地示意图 d混合接地示意图图5 电器设备的接地方式4.3 多点接地如图c所示，电器设备中各单元直接与距其最近的地线相接，使各单元的接地线尽可能地短，从而降低过长的接地线产生的地线干扰。显然，在多点接地电路中，各单元地线最短，地线阻抗最小，造成的干扰最小。但各单元和地线之间形成了环路，容易形成地环路干扰。4.4 混合接地如图d所示，电器设备工作时，如果其工

14、作频带较宽，在低频时需要采用单点接地，而在高频时又需要采用多点接地，那么可以选择混合接地。图d中，低频时电路为单点接地，高频时电容C相当于短路，因此，电路为多点接地，满足了电路工作频带宽的需求。以上的各种接地方式，各自适用于不同的工作场合，应合理选择使用。通常，频率在1MHz以下的低频，布线和器件间电感影响小，但接地形成环流对干扰影响较大，应采用单点接地方式，频率在10MHz以上时，地线阻抗较大，应尽量降低阻抗，就近多点接地；而频率在1-10M Hz之间可采用混合接地的方式。假设采用单点接地，地线长不应超过波长的1/20。以上介绍了几种接地方式。为了到达最好的屏蔽和抑制效果，应尽量加粗接地线，

15、如有可能，应3mm，最好用大面积敷铜板。地线电源线信号线是线宽的合理选择。另外，接地导线的，应根据具体情况，采取环接和空接等，而且也要遵循一般的布线原那么。5去耦、滤波与阻断 前面介绍了电磁干扰的三个因素。其中抑制电磁干扰的源头和提高敏感元件的抗干扰性，主要都是通过接地屏蔽等方式来实现的，而还有一个非常重要的环节，就是耦合途径。为了切断EMC的耦合途径，常用的三大措施是：去耦、滤波与阻断。其中重要的是耦合。5.1去耦与去耦电容的选择YVg安规与电磁兼容网在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。例如在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一个状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬

16、变的噪声电压。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是集成电路板设计中常规而有效的做法，配置原那么如下：1电源输入端跨接一个10YVg安规与电磁兼容网100uf的电解电容器。如电路板位置允许，接100uF以上的更好；2每个集成电路芯片都应布置一个0.01uF的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每410个芯片布置一个110uF的钽电容。这种器件高频阻抗特别小，在500kHz20 MHz范围内，阻抗小于1，而漏电流很小0.5uA以下。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Vcc和地线(GND)之间直接接入去藕电容；4去耦电容引线不能过长，特别是高频

17、旁路电容不能带引线。YVg安规与电磁兼容网5.2 滤波滤波指各类信号按频率特性分类并控制它们的方向。常用的有各种低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器。低通滤波器用在接入的交流电源线上，旨在让50周的交流电顺利通过，将其它高频噪声导入大地。低通滤波器的配置指标是插入损耗，选择的低通滤波器插入损耗过低起不到抑制噪声的作用，而过高的插入损耗会导致“漏电，影响系统的人身平安性。高通、带通滤波器那么应根据系统中对信号的处理要求选择使用。YVg安规与电磁兼容网5.3 阻断YVg安规与电磁兼容典型的信号隔离是光电隔离。使用光电隔离器件将单片机的输入输出隔离开，一方面使干扰信号不得进入单片机系统，另一方面单片机

18、系统本身的噪声也不会以传导的方式传播出去。屏蔽那么是用来隔离空间辐射的，对噪声特别大的部件，如开关电源，用金属盒罩起来，可减少噪声源对单片机系统的干扰。对特别怕干扰的模拟电路，如高灵敏度的弱信号放大电路可屏蔽起来。而重要的是金属屏蔽本身必须接真正的地。6、其它措施以上就集成电路板设计的电磁兼容性问题作了探讨。除此以外，影响集成电路板设计的电磁兼容性还包括很多方面，如：合理的布线、适当的过孔、特殊元器件的处理、通风散热、金属外壳全密封屏蔽等，这里不再详述。7、小结印刷电路板设计是一项实践性较强的工作，它要求设计人员要根据布局、布线等原那么，善于随具体情况灵活运用，设计中善于采用新的设计手段、吸取

19、先进的设计经历、利用成熟的安装工艺，并根据电磁兼容性原理，采取有效的技术措施减小电磁干扰，使电磁干扰控制到一定范围内，从而保证系统或设备的兼容性，设计出高性能、高可靠性的印制电路板。通常，使用以上根本的抗干扰措施，可根本解决常见形式的EMC问题。但要消除一些特殊的、小概率的干扰以获得更高的电磁兼容性，就要采用特殊的、更复杂的硬件抗干扰电路。但过多地采用硬件抗干扰措施会明显提高产品的常规本钱，且硬件数量的增加，还会产生新的干扰，导致系统的可靠性下降。所以应根据设计条件和目标要求，合理采用一些硬件抗干扰措施，提高系统的抗干扰能力。参考文献1林晓铮，EMC与产品设计J.印制电路信息，2006，5：2

20、5-292 余长青，电磁兼容设计中的接地技术J.黔南民族师范学院学报，2021，05：26-293X建斌，电磁兼容与电路板的可靠性设计J.电子工艺技术，2006,5，281-2834 顾海林，电磁干扰与电磁兼容性技术综述J.科技创新导报，2021，28：88-895 肖麟芬，印制电路板的抗干扰设计J.电工技术，2005，12：80-826 X洪涛，印制电路板的电磁兼容性设计J.电子质量，2007，01：81-867 宋艳芳，印刷电路板的电磁兼容性设计J.电脑开发与应用，2007，12：29-318 樊荣耀，印制线路板的可靠性设计J.电子质量，2021，02：36-389 白运芳，电磁兼容与电磁兼容设计J.无线电工程，2021，11：34-36作者简介：方玉龙1974-，男，*祁门人，讲师，毕业于*工程师范学院，从事电磁兼容与电磁散射等教学工作。. v