印制板產(chǎn)生電磁兼容的主要原因及抗干擾措施

楊振岐 許 冉 胡建民

[摘要]以印制電路板的電磁兼容性為核心，分析電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理和產(chǎn)生電磁兼容問(wèn)題的主要原因，詳細(xì)介紹在設(shè)計(jì)和裝配印制電路板時(shí)可采取的抗干擾措施。

[關(guān)鍵詞]印制電路板干擾電磁兼容性

中圖分類(lèi)號(hào)：TNO文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671—7597(2009)1020155—01

一、引言

電磁兼容(Electromagnetic compatibility)，簡(jiǎn)稱(chēng)EMC。它是指電子設(shè)備在電磁環(huán)境中對(duì)外部的影響和保證自身在電磁中的運(yùn)行穩(wěn)定性。

由于電子產(chǎn)品在使用中對(duì)其他電子產(chǎn)品有電磁輻射或干擾，同時(shí)也受到其他電子產(chǎn)品的電磁干擾，這不僅關(guān)系到電子產(chǎn)品本身工作的可靠性和安全性，也影響其他電子產(chǎn)品的正常工作，甚至導(dǎo)致安全危險(xiǎn)。在電子產(chǎn)品內(nèi)部，隨著主頻提高、布線密度增大、大量數(shù)模混合電路、高速電路引用及產(chǎn)品體積縮小，對(duì)印制板(PCB)電磁兼容性要求越來(lái)越高。PCB級(jí)的電磁兼容問(wèn)題日益突出，引起了電路和印制板設(shè)計(jì)者的廣泛重視，成為高速、高頻印制板設(shè)計(jì)必須認(rèn)真考慮的問(wèn)題。

二、印制板上存在電磁兼容問(wèn)題的主要原因

印制板是在絕緣基材上印有導(dǎo)電圖形，它與其他導(dǎo)電材料一樣。任何導(dǎo)線上都有一定的阻抗，在使用中有電流流過(guò)就會(huì)產(chǎn)生電壓降，變化的電流產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生感生電流，因而在印制板上只要加電工作。就會(huì)存在電場(chǎng)和磁場(chǎng)。如果板的布局、布線及電源、接地設(shè)計(jì)得合理，這些電場(chǎng)、磁場(chǎng)就不會(huì)對(duì)電路的性能產(chǎn)生有富的影響，如果設(shè)計(jì)得不合理，就會(huì)加大磁場(chǎng)、電場(chǎng)對(duì)電路性能的影響，使之成為電磁干擾源或影響電磁敏感電路印制板組裝件的正常工作，降低其性能，甚至?xí)孤┯杏眯畔⒒蚋蓴_其他電路正常工作。引起電磁兼容問(wèn)題的根本原因在于印制板工作時(shí)有時(shí)變電梳，印制板上高速、高頻的數(shù)字電路和邏輯電路的廣泛應(yīng)用，又大大增加了產(chǎn)生時(shí)變電流的程度，所以印制板自身的電磁兼容性是必須認(rèn)真考慮的問(wèn)題。具體分析有以下幾方面主要原因：

(一)制導(dǎo)線的阻抗與電路不匹配

印制導(dǎo)線(走線)作為電流和信號(hào)的傳輸路徑，其阻抗特性在低頻電路時(shí)呈電阻特性。因?yàn)樽柚岛苄。话銓?duì)電路影響不明顯。但是在高頻電路時(shí)呈電感特性，并且隨頻率變化的增高其電感特性越來(lái)越占主導(dǎo)地位。當(dāng)導(dǎo)線上的信號(hào)電流頻率在100kHz以上時(shí)，感抗將超過(guò)電阻成為導(dǎo)線阻抗的主要部分。阻抗與導(dǎo)線的寬度、厚度、長(zhǎng)度有關(guān)，頻率越高阻抗越大。任何在音頻以上(>20kHz)的信號(hào)通過(guò)印制導(dǎo)線(走線)均表現(xiàn)出電感特性。目前一般數(shù)字高速電路的頻率都在40—50MH以上，如果在高頻、高速電路設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)導(dǎo)線的阻抗考慮不周傳輸線上阻抗不匹配就會(huì)引起信號(hào)反射，印制導(dǎo)線就容易形成一個(gè)無(wú)意的輻射射頻能量的輻射源，成為有效的能量發(fā)射天線。

(二)布局布線不當(dāng)

數(shù)字電路與模擬電路共存在同一印制板上，布局時(shí)連接區(qū)域劃分不合理，使兩者共地或共電源，數(shù)字電源開(kāi)關(guān)的噪聲可能會(huì)注入模擬電路造成干擾。

印制板上的時(shí)鐘電路和震高電路等，有高頻周期信號(hào)存在，導(dǎo)致產(chǎn)生瞬時(shí)電流，引起RF輻射。這類(lèi)電路布局布線設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)是較強(qiáng)的干擾源。

(三)器件的邊沿速率影響

數(shù)字器件的邊沿速率快，在邏輯狀態(tài)改變時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬間的電涌。當(dāng)這種狀態(tài)改變的速度(上升和下降時(shí)間)很快時(shí)便會(huì)產(chǎn)生射頻能量，容易引起電磁兼容問(wèn)題。器件的邊沿速率要比器件本身單純的高頻引起電磁兼容問(wèn)題的可能性還要大。

(四)高頻輻射

當(dāng)時(shí)鐘速度和邏輯變化率同時(shí)增加時(shí)，高頻PCB輻射也會(huì)增加。布線方式和與時(shí)鐘連接邏輯方式不當(dāng)引起的阻抗失配和印制導(dǎo)線90°的彎角都會(huì)大大增加輻射強(qiáng)度。

(五)接地設(shè)計(jì)不當(dāng)

接地回路或接地參考的不完善(有缺陷或隔離溝槽設(shè)計(jì)不當(dāng))會(huì)產(chǎn)生不平衡的差模電流，不平衡的差模電流會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生共模電流，引起信號(hào)的失真和信號(hào)的不完整，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

(六)回路面積大

接地回路和信號(hào)線回路面積大，接地或電源線連接不合理形成大環(huán)路，環(huán)路面積越大越容易引起大的電磁場(chǎng)，增加電磁干擾的可能性。

(七)基材選擇不當(dāng)

高頻、微波電路印制板的基材選用不當(dāng)，介電常數(shù)高、介質(zhì)損耗大，致使導(dǎo)線阻抗不匹配，引起信號(hào)的反射。

(八)導(dǎo)通孔的分布參數(shù)影響

導(dǎo)通孔的直流電阻很小，相對(duì)于導(dǎo)線電阻在低頻時(shí)可以忽略。但是在高頻時(shí)電阻就呈現(xiàn)阻抗特性，孔的結(jié)構(gòu)也會(huì)引起寄生電容和寄生電感。單個(gè)孔的寄生電容并不大，只有0.4～1pF左右，但是走線中若有多個(gè)孔進(jìn)行層間轉(zhuǎn)換，其寄生電容對(duì)高頻電路的影響就不能忽視，它主要是延長(zhǎng)了信號(hào)的上升時(shí)間。降低了電路的速度。同樣導(dǎo)通孔也存在寄生電感，在高速數(shù)字電路中寄生電感帶來(lái)的危害往往大于寄生電容，并且頻率越高影響越大，阻抗遠(yuǎn)大于孔的電阻，在高頻高速電路中已經(jīng)不能忽略。如果一條信號(hào)線通過(guò)幾個(gè)這樣的孔它的阻抗已非常可現(xiàn)了。所以導(dǎo)通孔的分布參數(shù)也是引起高頻電路板數(shù)字電路電磁兼容問(wèn)題的原因之一。

三、解決措施

針對(duì)印制板電路產(chǎn)生電磁兼容問(wèn)題的主要原因，提出一下相應(yīng)的解決措施：

(一)阻抗與電路匹配

當(dāng)印制板上信號(hào)導(dǎo)線阻抗不匹配時(shí)，會(huì)發(fā)生多次反射噪聲，在線路始端接入阻抗匹配電阻或一個(gè)串聯(lián)電阻／電容結(jié)合，可消有效降低電流尖峰幅度，消除干擾。當(dāng)印制導(dǎo)線較長(zhǎng)時(shí)，線路電感會(huì)導(dǎo)致減幅振蕩，串入阻尼電阻，可抑制振蕩，增強(qiáng)抗干擾能力，改善波形。

(二)合理布局布線

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、高、中、低速邏輯電路在PCB上要用不同區(qū)域。

2、低電子信號(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。

3、安排電路時(shí)要使得信號(hào)線長(zhǎng)度最小。

4、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。

5、電磁干擾(EMI)濾波器要盡可能靠近EMI源，并放在同一塊線路板上。

6、Dc／DC變換器、開(kāi)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。

7、盡可能靠近整流二極管放置調(diào)壓元件和濾波電容器。

8、印制板按頻率和電流開(kāi)關(guān)特性分區(qū)，噪聲元件與非噪聲元件要距離再遠(yuǎn)一些。

9、對(duì)噪聲敏感的布線不要與大電流、高速開(kāi)關(guān)線平行。

(三)合理選用器件

1、大多數(shù)數(shù)字電路采用方波信號(hào)同步，這將產(chǎn)生高次諧波分量。時(shí)鐘速率越高，邊沿越陡，頻率和諧波的發(fā)射能力也越高。因此，在滿足產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的前提下，盡量選擇低速時(shí)鐘。在Hc能用時(shí)絕不要使用Ac，

CMOS4000能行就不要用Hc。

2、由不同廠家生產(chǎn)的具有相同型號(hào)及指標(biāo)的器件可能有顯著不同的EIdC特性，要選擇有較好EMC特性的元器件。

3、合理選擇信號(hào)上升和下降時(shí)間及幅度，在滿足性能要求的前提下，盡可能使用速度較慢的邏輯器件。

(四)降低高頻輻射

1、使用帶狀線PCB布局，終止于特性阻抗zc的微帶或其他傳輸線及采用扇出方式與時(shí)鐘進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，有效降低高頻輻射。

2、印制導(dǎo)線90°的彎角會(huì)呈現(xiàn)出電容的增加，這也代表了非連續(xù)性和輻射的增加，在頻率非常高時(shí)，若在微帶中使用45°角的彎角，將會(huì)降低輻射。

3PCB兆赫級(jí)頻率輻射應(yīng)通過(guò)在PCB表面上或Ic上安裝微波吸波器來(lái)加以降低，使用低頻固態(tài)鐵氧體材料來(lái)充填散熱器和屏蔽罩上的隙縫也是很有效的辦法。

(五)合理接地

1、首先將不同的電源電壓、數(shù)字和模擬、高速和低速、電流的大小電路分別設(shè)置地線，目的是防止產(chǎn)生公共地阻抗的干擾。

2、低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而粗，高頻元件周?chē)M量用柵格狀大面積地箔。

3、接地線應(yīng)盡量加粗。若接地線用很細(xì)的線條，則接地電位隨電流的變化而變化，使抗噪性能降低。因此應(yīng)將接地線加粗，使它能通過(guò)三倍于印制板上的允許電流。如有可能，接地線應(yīng)在2～3mm以上。

4、將接地線構(gòu)成閉環(huán)路設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印制電路板的地線系統(tǒng)時(shí)，將接地線做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。其原因在于：印制電路板上有很多集成電路元件，尤其遇有耗電多的元件時(shí)，因受接地線粗細(xì)的限制，會(huì)在地結(jié)上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降，若將接地結(jié)構(gòu)成環(huán)路，則會(huì)縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。

(六)減小回路面積

1、一種簡(jiǎn)單的方法是在關(guān)鍵信號(hào)線邊上布一條地線，這條地線應(yīng)盡量靠近信號(hào)線。這樣就形成了較小的回路面積，減小差模輻射對(duì)外界干擾的敏感度。當(dāng)信號(hào)線的旁邊加一條地線后，就形成了一個(gè)面積最小的回路，信號(hào)電流肯定會(huì)取道這個(gè)回路，而不是其它地線路徑。

2、用了地線網(wǎng)格后，信號(hào)線的鄰近總會(huì)有一條地線，形成較小的回路面積。并且在布線時(shí)，應(yīng)盡量使關(guān)鍵線靠近地線。

3、如果是雙層線路板，可以在線路板的另一面，緊靠近信號(hào)線的下面，沿著信號(hào)線布一條地線，地線盡量寬些。這樣形成的回路面積等于線路板的厚度乘以信號(hào)線的長(zhǎng)度。另外，雙層板應(yīng)毫無(wú)例外地使用地線網(wǎng)格，以減小地線的阻抗。

(七)選擇合適基材

印刷電路板基板的選擇應(yīng)根據(jù)電路的工作性質(zhì)、工作環(huán)境以及電路的構(gòu)成來(lái)確定。應(yīng)用于高頻電路的要選擇介電常數(shù)低、高頻損耗小的基板，時(shí)鐘頻率高于10MHz時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用多層印制板。對(duì)于電路的工作頻率很高或前沿陡峭的脈沖電路，分布電容的影響是必須考慮的問(wèn)題。由于敷銅板的厚度很薄，對(duì)于大電流，其載流量也是應(yīng)考慮的問(wèn)題。

(八)減小導(dǎo)通孔的分布參數(shù)

1、使用較薄PCB有利于減少過(guò)孔的兩種寄生參數(shù)。

2、PCB上信號(hào)走線盡量不換層，也就說(shuō)盡量減少過(guò)孔。

3、孔的寄生電感與孔長(zhǎng)度的對(duì)數(shù)成正比，與孔直徑成反比。所以設(shè)計(jì)高頻電路的印制板時(shí)，采用埋孔互聯(lián)技術(shù)縮短孔的長(zhǎng)度，降低通孔的寄生參數(shù)。

四、結(jié)束語(yǔ)

除了以上因素外，還有其他一些原因如：地線的結(jié)構(gòu)、大功率器件的屏蔽和高頻器件本身的RF輻射等，都會(huì)對(duì)印制板的電磁兼容性產(chǎn)生影響。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)電路的特點(diǎn)認(rèn)真分析，找出產(chǎn)生磁兼容問(wèn)題的主要原因，根據(jù)設(shè)計(jì)條件和目標(biāo)要求，合理采用一些硬件抗干擾措施，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。