在高速電路板設(shè)計(jì)過(guò)程中，電磁兼容性設(shè)計(jì)是一個(gè)重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。本文從層數(shù)設(shè)計(jì)和層的布局兩方面論述了如何減少耦合源傳播途徑等方面減少傳導(dǎo)耦合與輻射耦合所引起的電磁干擾，提高電磁兼容性。

在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，對(duì)于單層板和雙層板而言，一般不用考慮電路板的疊層結(jié)構(gòu)。只有在設(shè)計(jì)四層以上的PCB時(shí)，才需要考慮PCB的疊層設(shè)計(jì)和阻抗控制問(wèn)題。今天在這里不討論P(yáng)CB的阻抗控制方面的內(nèi)容，主要討論一下PCB疊層設(shè)計(jì)和電磁兼容之間的關(guān)系。

在PCB疊層設(shè)計(jì)中，一般的參考原則是：

(1)在兩個(gè)電源地層之間的信號(hào)層為最好布線(xiàn)層。

(2)與電源地層相鄰的信號(hào)層為較好布線(xiàn)層。

(3)與電源正極層相鄰的信號(hào)層為次級(jí)布線(xiàn)層。

(4)在設(shè)計(jì)疊層結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮電磁干擾源在空間傳播特性上，距離越遠(yuǎn)，衰減越快，對(duì)信號(hào)層干擾越小的原則。

(5)電源地層具有屏蔽電磁干擾源的作用，其一方面屏蔽和抑制自身信號(hào)線(xiàn)產(chǎn)生的干擾源對(duì)外輻射，解決自身輻射發(fā)射超標(biāo)的問(wèn)題;另外，其對(duì)外部干擾源也具備一定的屏蔽和抑制作用。

(6)電源正極層相對(duì)電源地層而言，對(duì)電磁干擾的屏蔽較弱。

(7)一般情況下，在設(shè)計(jì)疊層結(jié)構(gòu)時(shí)，最好在內(nèi)部疊層設(shè)計(jì)時(shí)，讓電源正極層和電源地層相鄰，以提高電源的穩(wěn)定性。但是，也不絕對(duì)，為了提高屏蔽效果，在信號(hào)布線(xiàn)較少，元器件較少的情況下，為了提高產(chǎn)品的電磁兼容性，在做四層板疊層設(shè)計(jì)時(shí)，把頂層和底層作為電源地層，內(nèi)部?jī)蓪涌梢栽O(shè)置一層信號(hào)層和一層電源正極層。

四層PCB的疊層設(shè)計(jì)一般采用頂層和底層為信號(hào)層，中間兩層為電源正極和電源地層。這樣的疊層設(shè)計(jì)，緊挨電源地層的信號(hào)布線(xiàn)層為相對(duì)較好的布線(xiàn)層，緊挨電源正極的信號(hào)布線(xiàn)層為次級(jí)布線(xiàn)層。一般情況下，建議把距離外殼較遠(yuǎn)的信號(hào)布線(xiàn)層和地層放在緊挨在一起，這樣可以把敏感信號(hào)放在該信號(hào)層，把其它信號(hào)線(xiàn)設(shè)計(jì)在另外一層。這樣做的原因是基于干擾源通過(guò)外殼引入內(nèi)部時(shí)，距離信號(hào)布線(xiàn)層越遠(yuǎn)，信號(hào)衰減的越多，對(duì)敏感信號(hào)線(xiàn)的干擾相對(duì)較小。

PCB 板層設(shè)計(jì)與電磁兼容性密切相關(guān)，合理設(shè)計(jì)可顯著提升電子設(shè)備的抗干擾能力和輻射控制。以下是具體關(guān)系及設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

電磁兼容性核心問(wèn)題

電磁兼容性(EMC)指設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境中正常工作，同時(shí)避免對(duì)其他設(shè)備造成干擾。不當(dāng)?shù)腜CB設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真、噪音過(guò)大、系統(tǒng)不穩(wěn)定等問(wèn)題，尤其在高速電路或模數(shù)混合電路中，單面板和雙面板因缺乏地線(xiàn)屏蔽，輻射增強(qiáng)且抗干擾能力下降。 ?

層數(shù)配置原則

?電源層?：需根據(jù)電源數(shù)量和類(lèi)型設(shè)計(jì)，單一電源可用單一電源層，高密度電路建議多個(gè)電源層分割供電。 ?

?信號(hào)層?：需考慮信號(hào)特性，高頻信號(hào)或特殊信號(hào)需獨(dú)立分層并增加地平面屏蔽。 ?

?地層?：與電源層相鄰可形成耦合電容，增強(qiáng)屏蔽效果。 ?

布局優(yōu)化策略

?信號(hào)層位置?：優(yōu)先選擇與電源地層相鄰的信號(hào)層，減少干擾。 ?

?疊層結(jié)構(gòu)?：四層板設(shè)計(jì)中，頂層和底層設(shè)為電源地層，內(nèi)部?jī)蓪臃謩e設(shè)信號(hào)層和電源正極層，可提升屏蔽效果。 ?

?布線(xiàn)原則?：避免長(zhǎng)距離平行走線(xiàn)，減少輻射耦合路徑。 ?

成本與性能平衡

在保證電磁兼容性的前提下，需權(quán)衡成本與層數(shù)設(shè)計(jì)。例如，高頻時(shí)鐘信號(hào)通常需要4層以上PCB以實(shí)現(xiàn)有效屏蔽。 ?

1電磁兼容

電磁兼容(EMC)是一門(mén)綜合性學(xué)科，主要研究電磁干擾和抗干擾的問(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，同時(shí)它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于檢定的極限電平，不影響其它電子設(shè)備或系統(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、共同可靠地工作的要求。電磁兼容性 (EMC)包括兩個(gè)方面：產(chǎn)品的電磁輻射性和抗電磁干擾性口一個(gè)好的電子產(chǎn)品必須考慮電磁兼容問(wèn)題，既不能有電磁輻射干擾其他電子設(shè)備，又要有較低的電磁敏感度，能抵抗規(guī)定的電磁干擾。電磁干擾是電磁騷擾引起的后果，它會(huì)使電子設(shè)備、傳輸通道、系統(tǒng)和印刷板組裝件的性能下降。印刷板作為電子設(shè)備的基礎(chǔ)部件，使用中同樣存在電場(chǎng)和磁場(chǎng)，有電、磁場(chǎng)存在就有電磁兼容問(wèn)題，尤其是現(xiàn)代電子設(shè)備中大量采用數(shù)字電路、高速邏輯電路，信號(hào)的傳輸速度大大提高，這也增大了引起電磁輻射和受電磁干擾的因素，所以考慮電磁兼容問(wèn)題是印刷電路板設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

2印刷電路板上抑制電磁干擾設(shè)計(jì)

由于PCB上的電子器件和線(xiàn)路的密集度不斷增加，而信號(hào)的頻率也不斷提高，不可避免地會(huì)引入E訛(電磁兼容)和陰I(電磁干擾)的問(wèn)題。

外部的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾對(duì)PCB上的電路基本無(wú)影響，實(shí)際上在設(shè)計(jì)中采取正確的措施常常能同時(shí)起到抗干擾和抑制發(fā)射的作用。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，首先要根據(jù)實(shí)際需要，選擇合適的印制板類(lèi)型(板材和板層)，然后是確定元器件在板上的位置，再依次布局，設(shè)計(jì)地線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)。

2.1印刷電路板的選取

印刷電路板有單面、雙面和多層板之分。單面和雙面板一般用于低、中密度布線(xiàn)的電路和集成度較低的電路。多層板適用于高密度布線(xiàn)、高集成度芯片的高速數(shù)字電路。從電磁兼容的角度來(lái)說(shuō)，多層板可以減小線(xiàn)路板的電磁輻射并提高線(xiàn)路板的抗干擾能力。因?yàn)樵诙鄬影逯?，可以設(shè)置專(zhuān)門(mén)的電源層和地層，使信號(hào)線(xiàn)與地線(xiàn)之間的距離僅為線(xiàn)印刷電路板的層間距離。這樣板上所有信號(hào)的回路面積就可以降至最小，從而有效減小差模輻射。

2.2元器件的布局

設(shè)計(jì)印刷電路板不僅僅是簡(jiǎn)單地將各個(gè)元器件之間用印制導(dǎo)線(xiàn)連接起來(lái)，更重要的是應(yīng)當(dāng)考慮電路的特點(diǎn)和要求，正確的擺放元器件

l)按電路單元和相互有連接關(guān)系的元器件應(yīng)靠近布局。以減少元器件之間的走線(xiàn)和連線(xiàn)的長(zhǎng)度，減低輻射和干擾。

2)按電路工作頻率或器件的開(kāi)關(guān)速度的相對(duì)高低分區(qū)布局，從I/0端向板的遠(yuǎn)端電路工作頻率依次降低分布，在較高頻率區(qū)內(nèi)，高速震蕩器件不應(yīng)靠近工/0端。

3)容易產(chǎn)生電磁輻射的元器件(如：時(shí)鐘、震蕩器等)，遠(yuǎn)離電磁敏感器件或走線(xiàn)，必要時(shí)采取電磁屏蔽措施。

2.3信號(hào)線(xiàn)的布局

信號(hào)線(xiàn)的布置最好根據(jù)信號(hào)的流向順序安排，使電路板上的信號(hào)走向流暢。不相容的信號(hào)線(xiàn)應(yīng)相互遠(yuǎn)離，不要平行走線(xiàn)。同一層上的信號(hào)線(xiàn)保持一定間距，最好以相應(yīng)地線(xiàn)回路隔離，減少線(xiàn)間信號(hào)串?dāng)_。分布在不同層上的信號(hào)線(xiàn)走向應(yīng)相互垂直，這樣可以減少線(xiàn)間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)禍合干擾。高速信號(hào)的回路面積盡可能小，以免發(fā)生輻射干擾。

1)高速信號(hào)線(xiàn)盡可能放在同一層，不要換層：2)使信號(hào)線(xiàn)平滑過(guò)度，避免由于線(xiàn)寬突變引起信號(hào)反射：3)印制線(xiàn)不要一部分緊鄰地線(xiàn)走，一部分不緊鄰造成阻抗突變;4)信號(hào)線(xiàn)不要離印制板邊緣太近，否則會(huì)引起特征阻抗變化，而且容易產(chǎn)生邊緣場(chǎng)，增加向外的輻射：5)對(duì)于導(dǎo)線(xiàn)特性阻抗要求嚴(yán)格的信號(hào)線(xiàn)，應(yīng)采用帶狀線(xiàn)或微帶線(xiàn)的布線(xiàn)形式，有利于導(dǎo)線(xiàn)寬度、厚度和絕緣層厚度調(diào)整特性阻抗;6)當(dāng)電路的工作頻率超過(guò)SMHz或器件的邊沿?cái)?shù)率超過(guò)sns時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用多層板，有利于降低電磁干擾;7)高速信號(hào)傳輸線(xiàn)路中過(guò)孔盡量少，并且孔徑小，有利于降低孔的寄生電容，通常采用小孔徑的過(guò)孔、埋孔或盲孔。

2.4地線(xiàn)布局

1)將數(shù)字電路與模擬電路分開(kāi)。電路板上既有高速邏輯電路，又有線(xiàn)性電路，應(yīng)使它們盡量分開(kāi)，兩者的地線(xiàn)不要相混，分別與電源端地線(xiàn)相連。要盡量加大線(xiàn)性電路的接地面積。

2)正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。在低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1陽(yáng)z，它的布線(xiàn)和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線(xiàn)阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線(xiàn)阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。

3)盡量加粗接地線(xiàn)。若接地線(xiàn)很細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應(yīng)將接地線(xiàn)盡量加粗，使它能通過(guò)三倍于印制電路板的允許電流。

4)地線(xiàn)上的隔離孔不應(yīng)距離太近，隔離孔的絕緣環(huán)不能過(guò)大，以免形成無(wú)意的溝槽，影響上一層信號(hào)線(xiàn)的阻抗。

5)接地線(xiàn)構(gòu)成閉環(huán)路。設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印刷電路板的地線(xiàn)系統(tǒng)時(shí)，將接地線(xiàn)做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。

1電磁兼容

電磁兼容(EMC)是一門(mén)綜合性學(xué)科，主要研究電磁干擾和抗干擾的問(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，同時(shí)它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于檢定的極限電平，不影響其它電子設(shè)備或系統(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、共同可靠地工作的要求。電磁兼容性 (EMC)包括兩個(gè)方面：產(chǎn)品的電磁輻射性和抗電磁干擾性口一個(gè)好的電子產(chǎn)品必須考慮電磁兼容問(wèn)題，既不能有電磁輻射干擾其他電子設(shè)備，又要有較低的電磁敏感度，能抵抗規(guī)定的電磁干擾。電磁干擾是電磁騷擾引起的后果，它會(huì)使電子設(shè)備、傳輸通道、系統(tǒng)和印刷板組裝件的性能下降。印刷板作為電子設(shè)備的基礎(chǔ)部件，使用中同樣存在電場(chǎng)和磁場(chǎng)，有電、磁場(chǎng)存在就有電磁兼容問(wèn)題，尤其是現(xiàn)代電子設(shè)備中大量采用數(shù)字電路、高速邏輯電路，信號(hào)的傳輸速度大大提高，這也增大了引起電磁輻射和受電磁干擾的因素，所以考慮電磁兼容問(wèn)題是印刷電路板設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

2印刷電路板上抑制電磁干擾設(shè)計(jì)

由于PCB上的電子器件和線(xiàn)路的密集度不斷增加，而信號(hào)的頻率也不斷提高，不可避免地會(huì)引入E訛(電磁兼容)和陰I(電磁干擾)的問(wèn)題。

外部的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾對(duì)PCB上的電路基本無(wú)影響，實(shí)際上在設(shè)計(jì)中采取正確的措施常常能同時(shí)起到抗干擾和抑制發(fā)射的作用。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，首先要根據(jù)實(shí)際需要，選擇合適的印制板類(lèi)型(板材和板層)，然后是確定元器件在板上的位置，再依次布局，設(shè)計(jì)地線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)。

2.1印刷電路板的選取

印刷電路板有單面、雙面和多層板之分。單面和雙面板一般用于低、中密度布線(xiàn)的電路和集成度較低的電路。多層板適用于高密度布線(xiàn)、高集成度芯片的高速數(shù)字電路。從電磁兼容的角度來(lái)說(shuō)，多層板可以減小線(xiàn)路板的電磁輻射并提高線(xiàn)路板的抗干擾能力。因?yàn)樵诙鄬影逯?，可以設(shè)置專(zhuān)門(mén)的電源層和地層，使信號(hào)線(xiàn)與地線(xiàn)之間的距離僅為線(xiàn)印刷電路板的層間距離。這樣板上所有信號(hào)的回路面積就可以降至最小，從而有效減小差模輻射。

2.2元器件的布局

設(shè)計(jì)印刷電路板不僅僅是簡(jiǎn)單地將各個(gè)元器件之間用印制導(dǎo)線(xiàn)連接起來(lái)，更重要的是應(yīng)當(dāng)考慮電路的特點(diǎn)和要求，正確的擺放元器件

l)按電路單元和相互有連接關(guān)系的元器件應(yīng)靠近布局。以減少元器件之間的走線(xiàn)和連線(xiàn)的長(zhǎng)度，減低輻射和干擾。

2)按電路工作頻率或器件的開(kāi)關(guān)速度的相對(duì)高低分區(qū)布局，從I/0端向板的遠(yuǎn)端電路工作頻率依次降低分布，在較高頻率區(qū)內(nèi)，高速震蕩器件不應(yīng)靠近工/0端。

3)容易產(chǎn)生電磁輻射的元器件(如：時(shí)鐘、震蕩器等)，遠(yuǎn)離電磁敏感器件或走線(xiàn)，必要時(shí)采取電磁屏蔽措施。

2.3信號(hào)線(xiàn)的布局

信號(hào)線(xiàn)的布置最好根據(jù)信號(hào)的流向順序安排，使電路板上的信號(hào)走向流暢。不相容的信號(hào)線(xiàn)應(yīng)相互遠(yuǎn)離，不要平行走線(xiàn)。同一層上的信號(hào)線(xiàn)保持一定間距，最好以相應(yīng)地線(xiàn)回路隔離，減少線(xiàn)間信號(hào)串?dāng)_。分布在不同層上的信號(hào)線(xiàn)走向應(yīng)相互垂直，這樣可以減少線(xiàn)間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)禍合干擾。高速信號(hào)的回路面積盡可能小，以免發(fā)生輻射干擾。

1)高速信號(hào)線(xiàn)盡可能放在同一層，不要換層：2)使信號(hào)線(xiàn)平滑過(guò)度，避免由于線(xiàn)寬突變引起信號(hào)反射：3)印制線(xiàn)不要一部分緊鄰地線(xiàn)走，一部分不緊鄰造成阻抗突變;4)信號(hào)線(xiàn)不要離印制板邊緣太近，否則會(huì)引起特征阻抗變化，而且容易產(chǎn)生邊緣場(chǎng)，增加向外的輻射：5)對(duì)于導(dǎo)線(xiàn)特性阻抗要求嚴(yán)格的信號(hào)線(xiàn)，應(yīng)采用帶狀線(xiàn)或微帶線(xiàn)的布線(xiàn)形式，有利于導(dǎo)線(xiàn)寬度、厚度和絕緣層厚度調(diào)整特性阻抗;6)當(dāng)電路的工作頻率超過(guò)SMHz或器件的邊沿?cái)?shù)率超過(guò)sns時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用多層板，有利于降低電磁干擾;7)高速信號(hào)傳輸線(xiàn)路中過(guò)孔盡量少，并且孔徑小，有利于降低孔的寄生電容，通常采用小孔徑的過(guò)孔、埋孔或盲孔。

2.4地線(xiàn)布局

1)將數(shù)字電路與模擬電路分開(kāi)。電路板上既有高速邏輯電路，又有線(xiàn)性電路，應(yīng)使它們盡量分開(kāi)，兩者的地線(xiàn)不要相混，分別與電源端地線(xiàn)相連。要盡量加大線(xiàn)性電路的接地面積。

2)正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。在低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1陽(yáng)z，它的布線(xiàn)和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線(xiàn)阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線(xiàn)阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。

3)盡量加粗接地線(xiàn)。若接地線(xiàn)很細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應(yīng)將接地線(xiàn)盡量加粗，使它能通過(guò)三倍于印制電路板的允許電流。

4)地線(xiàn)上的隔離孔不應(yīng)距離太近，隔離孔的絕緣環(huán)不能過(guò)大，以免形成無(wú)意的溝槽，影響上一層信號(hào)線(xiàn)的阻抗。

5)接地線(xiàn)構(gòu)成閉環(huán)路。設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印刷電路板的地線(xiàn)系統(tǒng)時(shí)，將接地線(xiàn)做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。

2.5印刷導(dǎo)線(xiàn)的寬度

導(dǎo)線(xiàn)寬度應(yīng)以滿(mǎn)足電氣性能而又便于生產(chǎn)為宜，它的最小值以承受的電流而定，但最小不宜小于0.Zmln，在高密度、高精度的印刷線(xiàn)路中，導(dǎo)線(xiàn)寬度和間距一般可取0.3nnn;導(dǎo)線(xiàn)寬度在大電流情況下還應(yīng)考慮到其溫升，單面板試驗(yàn)表明，當(dāng)銅箔厚度為SOum、導(dǎo)線(xiàn)寬度1一1.smm、通過(guò)電流為2A時(shí)，溫升很小。

在DIP封裝的走線(xiàn)間，當(dāng)兩腳間通過(guò)2根線(xiàn)時(shí)，焊盤(pán)直徑可設(shè)為50mil，線(xiàn)寬與線(xiàn)距都為10耐l;當(dāng)兩腳間只通過(guò)1根導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，焊盤(pán)直徑可設(shè)為64011，線(xiàn)寬與直徑都為12mil。

3軟件抗干擾措施

采用看門(mén)狗電路防止由于外界干擾硬件故障及程序出錯(cuò)致使系統(tǒng)停機(jī)中斷或程序進(jìn)入死循環(huán);采用軟件濾波方法剔除高頻脈沖干擾。

4小結(jié)

印制電路板中的電磁兼容問(wèn)題很復(fù)雜，要針對(duì)具體問(wèn)題采取相應(yīng)的措施。設(shè)計(jì)中善于采用新的設(shè)計(jì)手段，吸取先進(jìn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，利用成熟的安裝工藝，有效的減少電磁干擾。隨著PCB工藝的不斷提高和電磁兼容學(xué)的深入發(fā)展，其電子產(chǎn)品的電磁兼容性能也將會(huì)有顯著的提高。