隨著電氣時(shí)代的發(fā)展，人類生活環(huán)境中各種電磁波源越來(lái)越多，例如無(wú)線電廣播、電視、微波通信、家庭用的電器、輸電線路的工頻電磁場(chǎng)、高頻電磁場(chǎng)等。 當(dāng)這些電磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)一定限度、作用時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，就可能危及人體健康；同時(shí)還會(huì)干擾其他電子設(shè)備和通信。對(duì)此，都需要進(jìn)行防護(hù)。對(duì)電子產(chǎn)品開發(fā)，生產(chǎn)、使用過(guò)程中常常提出電磁干擾、屏蔽等概念。

 

電子產(chǎn)品正常運(yùn)行時(shí)其核心是PCB板及其安裝在上面的元器件、零部件等之間的一個(gè)協(xié)調(diào)工作過(guò)程。要提高電子產(chǎn)品的性能指標(biāo)減少電磁干擾的影響是非常重要的。

 

 

印制線路板(PCB)是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件，它提供電路元件和器件之間的電氣連接，它是各種電子設(shè)備最基本的組成部分，PCB板的性能直接關(guān)系到電子設(shè)備質(zhì)量、性能的好壞。隨著集成電路、SMT技術(shù)、微組裝技術(shù)的發(fā)展，高密度、多功能的電子產(chǎn)品越來(lái)越多，致使PCB板上導(dǎo)線布設(shè)復(fù)雜、零件、元件繁多、安裝密集，必然使它們之間的干擾越來(lái)越嚴(yán)重，所以，抑制電磁干擾問(wèn)題也就成為一個(gè)電子系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。同樣，隨著電于技術(shù)的發(fā)展，PCB的密度越來(lái)越高，PCB板設(shè)計(jì)的好壞對(duì)電路的干擾及抗干擾能力影響很大。要使電子電路獲得最佳性能，除了元器件的選擇和電路設(shè)計(jì)之外，良好的PCB板設(shè)計(jì)在電磁兼容性（EMC）中也是一個(gè)非常重要的因素。

 

1.1 合理PCB板層設(shè)計(jì)

 

根據(jù)電路的復(fù)雜程度，合理選擇PCB的板層數(shù)理能有效降低電磁干擾，大幅度降低PCB體積和電流回路及分支走線的長(zhǎng)度，大幅度降低信號(hào)間的交叉干擾。實(shí)驗(yàn)表明，同種材料時(shí)，四層板比雙層板的噪聲低20dB，但是，板層數(shù)越高，制造工藝越復(fù)雜，制造成本越高。在多層PCB板布線中，相鄰層之間最好采用“井”字形網(wǎng)狀布線結(jié)構(gòu)，即相鄰層各自走線的方向相互垂直。例如，PCB板的上一面橫向布線，下一面縱向布線，再用過(guò)孔相連。

 

1.2 合理PCB板尺寸設(shè)計(jì)

 

PCB板尺寸過(guò)大時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致印制導(dǎo)線增長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，設(shè)備體積增大成本也相應(yīng)增加。如果尺寸過(guò)小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾?？偟膩?lái)說(shuō)，在機(jī)械層(Mechanical Layer)確定物理邊框即PCB板的外形尺寸，禁止布線層(Keepout Layer)確定布局和布線的有效區(qū)。一般根據(jù)電路的功能單元的多少，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行總體，最后確定PCB板的最佳形狀和尺寸。通常選用矩形，長(zhǎng)寬比為3:2。電路板面尺寸大于150mm*200mm時(shí)應(yīng)考慮PCB板的機(jī)械強(qiáng)度。

 

 

在PCB板設(shè)計(jì)中，電子工程師可能只注重提高密度，減小占用空間，制作簡(jiǎn)單，或追求美觀，布局均勻，忽視了線路布局對(duì)電磁兼容性（EMC）的影響，使大量的信號(hào)輻射到空間形成相互干擾。一個(gè)拙劣的PCB布線能導(dǎo)致更多的電磁兼容性（EMC）問(wèn)題，而不是消除這些問(wèn)題。

 

電子設(shè)備中數(shù)字電路、模擬電路以及電源電路的元件布局和布線其特點(diǎn)各不相同，它們產(chǎn)生的干擾以及抑制干擾的方法不相同。高頻、低頻電路由于頻率不同，其干擾以及抑制干擾的方法也不相同。所以在元件布局時(shí)，應(yīng)該將數(shù)字電路、模擬電路以及電源電路分別放置，將高頻電路與低頻電路分開。有條件的應(yīng)使之各自隔離或單獨(dú)做成一塊PCB板。布局中還應(yīng)特別注意強(qiáng)、弱信號(hào)的器件分布及信號(hào)傳輸方向途徑等問(wèn)題。

 

2.1 PCB板的元件布置

 

PCB板元器件的布置方面與其它邏輯電路一樣，應(yīng)把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些，這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。元件在PCB板上排列的位置要充分考慮抗電磁干擾問(wèn)題。原則之一是各部件之間的引線要盡量短。在布局上，要把模擬信號(hào)部分，高速數(shù)字電路部分，噪聲源部分(如繼電器，大電流開關(guān)等)這3 部分合理地分開，使相互間的信號(hào)耦合為最小。

 

時(shí)鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時(shí)鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲，要相互靠近些。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應(yīng)盡量遠(yuǎn)離邏輯電路。如有可能，應(yīng)另做PCB板，這一點(diǎn)十分重要。

 

PCB板元器件通用布局要求：電路元件和信號(hào)通路的布局必須最大限度地減少無(wú)用信號(hào)的相互耦合。

 

1)低電平信號(hào)通道不能靠近高電平信號(hào)通道和無(wú)濾波的電源線，包括能產(chǎn)生瞬態(tài)過(guò)程的電路。

 

2)將低電平的模擬電路和數(shù)字電路分開，避免模擬電路、數(shù)字電路和電源公共回路產(chǎn)生公共阻抗耦合。

 

3)高、中、低速邏輯電路在PCB板上要用不同區(qū)域。

 

4)安排電路時(shí)要使得信號(hào)線長(zhǎng)度最小。

 

5)保證相鄰板之間、同一板相鄰層面之間、同一層面相鄰布線之間不能有過(guò)長(zhǎng)的平行信號(hào)線。

 

6)電磁干擾(EMI)濾波器要盡可能靠近電磁干擾源，并放在同一塊線路板上。

 

7)DC/DC變換器、開關(guān)元件和整流器應(yīng)盡可能靠近變壓器放置，以使其導(dǎo)線長(zhǎng)度最小。

 

8)盡可能靠近整流二極管放置調(diào)壓元件和濾波電容器。

 

9)PCB板按頻率和電流開關(guān)特性分區(qū)，噪聲元件與非噪聲元件之間的距離要再遠(yuǎn)一些。

 

10)對(duì)噪聲敏感的布線不要與大電流，高速開關(guān)線平行。

 

11)元件布局還要特別注意散熱問(wèn)題，對(duì)于大功率電路，應(yīng)該將那些發(fā)熱元件如功率管、變壓器等盡量靠邊分散布局放置，便于熱量散發(fā)，不要集中在一個(gè)地方，也不要高電容太近以免使電解液過(guò)早老化。

2.2 PCB板的布線

 

一個(gè)PCB板的構(gòu)成是在垂直疊層上使用了一系列的層壓、走線和預(yù)浸處理的多層結(jié)構(gòu)。在多層PCB板中，為了方便調(diào)試，會(huì)把信號(hào)線布在最外層。

 

在高頻情況下，PCB板上的走線、過(guò)孔、電阻、電容、接插件的分布電感與分布電容等不可忽略。電阻會(huì)產(chǎn)生對(duì)高頻信號(hào)的反射和吸收。走線的分布電容也會(huì)起作用。當(dāng)走線長(zhǎng)度大于噪聲頻率相應(yīng)波長(zhǎng)的1/20時(shí)，就產(chǎn)生天線效應(yīng)，噪聲通過(guò)走線向外發(fā)射。

 

PCB板的導(dǎo)線連接大多通過(guò)過(guò)孔完成。一個(gè)過(guò)孔可帶來(lái)約0.5pF的分布電容，減少過(guò)孔數(shù)能顯著提高速度。

 

一個(gè)集成電路本身的封裝材料引入2～6 pF電容。一個(gè)PCB板上的接插件，有520nH的分布電感。一個(gè)雙列直插的24引腳集成電路插座，引入4～18nH的分布電感。

 

避免PCB板布線分布參數(shù)影響而應(yīng)該遵循的一般要求：

 

1)增大走線的間距以減少電容耦合的串?dāng)_。

 

2)雙面板布線時(shí)，兩面的導(dǎo)線宜相互垂直、斜交、或彎曲走線，避免相互平行，以減小寄生耦合；作為電路的輸入及輸出用的印制導(dǎo)線應(yīng)盡量避兔相鄰平行，以免發(fā)生回授，在這些導(dǎo)線之間最好加接地線。

 

3)將敏感的高頻線布在遠(yuǎn)離高噪聲電源線的地方以減少相互之間的耦合；高頻數(shù)字電路走線細(xì)一些、短一些。

 

4)加寬電源線和地線以減少電源線和地線的阻抗。

 

5)盡量使用45°折線而不用90°折線布線以減小高頻信號(hào)對(duì)外的發(fā)射和耦合。

 

6)地址線或者數(shù)據(jù)線，走線長(zhǎng)度差異不要太大，否則短線部分要人為走彎線作補(bǔ)償。

 

7)大電流信號(hào)、高電壓信號(hào)與小信號(hào)之間應(yīng)該注意隔離(隔離距離與要承受的耐壓有關(guān)，通常情況下在2kV時(shí)板上要距離2mm，在此之上以比例算還要加大，例如若要承受3kV的耐壓測(cè)試，則高低壓線路之間的距離應(yīng)在3.5mm以上，許多情況下為避免爬電，還在PCB板上的高低壓之間開槽)。

 

 

在設(shè)計(jì)電子線路時(shí)，比較多考慮的是產(chǎn)品的實(shí)際性能，而不會(huì)太多考慮產(chǎn)品的電磁兼容性（EMC）和電磁干擾（EMI）的抑制及電磁抗干擾特性。在利用電路原理圖進(jìn)行PCB的排版時(shí)為達(dá)到電磁兼容的目的，必須采取必要的措施，即在其電路原理圖的基礎(chǔ)上增加必要的附加電路，以提高其產(chǎn)品的電磁兼容性能。實(shí)際PCB設(shè)計(jì)中可采用以下電路措施：

 

1)可用在PCB走線上串接一個(gè)電阻的辦法，降低控制信號(hào)線上下沿跳變速率。

 

2)盡量為繼電器等提供某種形式的阻尼(高頻電容、反向二極管等)。

 

3)對(duì)進(jìn)入PCB板的信號(hào)要加濾波，從高噪聲區(qū)到低噪聲區(qū)的信號(hào)也要加濾波，同時(shí)用串終端電阻的辦法，減小信號(hào)反射。

 

4)MCU無(wú)用端要通過(guò)相應(yīng)的匹配電阻接電源或接地，或定義成輸出端。集成電路上該接電源、地的端都要接，不要懸空。

 

5)閑置不用的門電路輸入端不要懸空，而是通過(guò)相應(yīng)的匹配電阻接電源或接地。閑置不用的運(yùn)放正輸入端接地，負(fù)輸入端接輸出端。

 

6)為每個(gè)集成電路設(shè)一個(gè)高頻去耦電容。每個(gè)電解電容邊上都要加一個(gè)小的高頻旁路電容。

 

7)用大容量的鉭電容或聚酯電容而不用電解電容作PCB板上的充放電儲(chǔ)能電容。使用管狀電容時(shí)，外殼要接地。