基于电磁兼容的PCB设计

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　　基于电磁兼容的PCB设计
　　0 　引言
　　PCB 是英文( Printed Circuit Board) 印制线路板的简称。
　　通常把在绝缘材料上,按预定设计,制成印制线路、印制元件或两者组合而成的导电图形称为印制电路。而在绝缘基材上提供元器件之间电气连接的导电图形,称为印制线路。这样就把印制电路或印制线路的成品板称为印制线路板,亦称为印制板或印制电路板。PCB 几乎我们所能见到的电子设备都离不开它,小到电子手表、计算器、通用电脑,大到计算机、通讯电子设备、航空、航天、军用武器系统,只要有集成电路等电子元器件,它们之间电气互连都要用到PCB ,它的性能直接关系到电子设备质量的好坏。随着电子技术的飞速发展,电子产品越来越趋向高速,高灵敏度,高密度,这种趋势导致了PCB 电路板设计中的电磁兼容( EMC) 和电磁干扰问题严重化,电磁兼容设计已成为PCB 设计中急待解决的技术难题。
　　1 　电磁兼容
　　电磁兼容( Elect ro2Magnetic Compatibility ,简称EMC)是一门新兴综合性学科,它主要研究电磁干扰和抗干扰问题。电磁兼容性是指电子设备或系统在规定的电磁环境电平下,不因电磁干扰而降低性能指标,同时它们本身产生的电磁辐射不大于限定的极限电平,不影响其它系统的正常运行,并达到设备与设备、系统与系统之间互不干扰、共同可靠工作的目的。电磁干扰( EMI) 产生是由于电磁干扰源通过耦合路径将能量传递给敏感系统造成的,它包括由导线和公共地线的传导、通过空间辐射或近场耦合3 种基本形式。实践证明,即使电路原理图设计正确,印制电路板设计不当,也会对电子设备的可靠性产生不利影响,所以保证印制电路板电磁兼容性是整个系统设计的关键。
　　1. 1 　电磁干扰( EMI)
　　当一个EMI 问题产生时,需要用3 个元素来描述:干扰源、传播路径和接受者。如图1 所示:
　　

        图1 　电磁干扰模型
　　因此我们要减小电磁干扰,就要在这三个元素上去想办法。下面我们主要讨论印制电路板的布线技术。
　　2 　印制电路板的布线技术
　　良好的印制电路板( PCB) 布线在电磁兼容性中是一个非常重要的因素。
　　2. 1 　PCB 基本特性
　　一个PCB 的构成是在垂直叠层上使用了一系列的层压、走线和预浸处理。在多层PCB 中,设计者为了方便调试,会把信号线布在最外层。
　　PCB 上的布线是有阻抗、电容和电感特性的。
　　阻抗:布线的阻抗是由铜和横切面面积的重量决定的。
　　例如,1 盎司铜则有0. 49 mΩ/ 单位面积的阻抗。
　　电容:布线的电容是由绝缘体( Eo Er) 、电流到达的范围
　　(A) 以及走线间距(h) 决定的。用等式表达为C = Eo ErA/ h ,Eo 是自由空间的介电常数(8. 854 p F/ m) , Er 是PCB 基体的相关介电常数(在FR4 碾压中为4. 7) 。
　　电感:布线的电感平均分布在布线中,大约为1 nH/ m。
　　对于1 盎司铜线来说,在0. 25 mm(10 mil) 厚的FR4 碾压情况下,位于地线层上方的0. 5 mm (20 mil) 宽,20 mm(800 mil) 长的线能产生9. 8 m ∧的阻抗,20 nH 的电感以及与地之间1. 66 p F 的耦合电容。将上述值与元器件的寄生效应相比,这些都是可以忽略不计的,但所有布线的总和可能会超出寄生效应。因此,设计者必须将这一点考虑进去。
　　PCB 布线的普遍方针:
　　(1) 增大走线的间距以减少电容耦合的串扰;
　　(2) 平行的布电源线和地线以使PCB 电容达到最佳;
　　(3) 将敏感的高频线布在远离高噪声电源线的地方;
　　(4) 加宽电源线和地线以减少电源线和地线的阻抗。
　　2. 2 　分割
　　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。
　　图2 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,非金属的沟用来隔离四个地线面。L 和C 作为板子上的每一部分的过滤器,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量而要求放在电源入口处。接口电路可能会需要静电释放( ESD) 和暂态抑制的器件或电路。对于L 和C 来说,最好使用不同值的L 和C ,而不是用一个大的L 和C ,因为这样它便可以为不同的电路提供不同的滤波特性。
　　图2 　物理分割示列
　　2. 3 　局部电源和IC 间的去耦
　　局部去耦能够减少沿着电源干线的噪声传播。连接着电源输入口与PCB 之间