PCB設計的干擾與抑制研究

陳學平

（重慶電子工程職業學院，重慶 401331）

0 引言

印制電路板的設計質量不僅直接影響到電子產品的可靠性，還關系到產品的穩定性，甚至是設計成敗的關鍵。因此，在設計印制電路板圖時，除了要為電路中的元器件提供正確無誤的電氣連接外，還應充分考慮印制電路板的抗干擾性。印制電路板由于各種干擾因素的存在，PCB板上的干擾是不可避免的，我們為了抑制PCB的干擾，進行了下面的研究。

1 形成PCB干擾的因素

形成PCB干擾的因素很多，基本要素有以下方面：

1）干擾源的存在，干擾源是指產生干擾的元件、設備或信號，如：雷電、繼電器、可控硅、電機、高頻時鐘等都可能成為干擾源。由于干擾源的存在，使PCB設計的干擾抑制成為一個長期的研究任務。

2）干擾傳播路徑，指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路徑是通過導線的傳導和空間的輻射。 由于傳導和輻射的存在，我們在后面內容中將會分析通過屏蔽、接地等措施來抑制。

3）PCB上存在一些敏感器件，PCB由于電路設計的需要，在PCB上會存在一些易受干擾的器件，這些器件容易產生PCB的干擾，如：數字-模擬-數字變換器，單片機集成電路，數字IC， 弱信號放大器等。

2 PCB干擾的種類

PCB設計中的干擾在以前的研究中人們曾經提到過地線干擾、電磁干擾，沒有對PCB的干擾進行分類綜述。我們根據研究和總結，將PCB設計中的干擾作以下分類：一類是布線類干擾，一類是布局干擾，一類是傳導與輻射干擾。布線干擾主要是PCB的信號線、地線、電源線的線寬、線距設置不當、PCB布線方式不良好等形成的干擾。布局干擾主要是指PCB板有很多元件，由于元件位置放置不當形成的干擾。傳導干擾是指通過導線傳播到敏感器件的干擾。所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾。以上是PCB干擾的大體類別，我們在下面將對各種干擾進行分析，并介紹抑制方法。

3 PCB干擾的分析與抑制

3.1 布線類干擾及抑制

電源干擾是一種主要干擾，它主要是指電源的濾波不良和布線沒有做好形成的干擾。比如：電源的濾波電容容量不當，濾波方式不對，電源線在布線時線寬，與信號線的間距不對這都會形成電源干擾。因此我們首先應該解決電源干擾。如果電源做得好，整個電路的抗干擾就解決了一大半。許多電路器件對電源噪聲很敏感，要給電源加濾波電路或穩壓器，以減小電源噪聲對電路器件的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路，當然條件要求不高時也可用100?電阻代替磁珠。同時對于電源線布置要注意以下兩點：1）根據電流大小，盡量調寬電源線的布線寬度。2）電源線走向應與圖紙的信號傳遞方向一致。

地線干擾也是一種主要干擾。地線造成干擾的主要原因是地線存在阻抗，當電流流過地線時，會在地線上產生電壓，這就是地線噪聲。在這個電壓的驅動下，會產生地線環路電流，形成地環路干擾。當兩個電路共用一段地線時，會形成公共阻抗耦合。解決地環路干擾的方法有切斷地環路，增加地環路的阻抗，使用平衡電路等。解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗，或采用并聯單點接地，徹底消除公共阻抗。在PCB板上對地線布線時我們通過以下幾點進行干擾抑制：1）數字地與模擬地分開。2）接地線應盡量加粗，至少能通過3倍于印制板上的允許電流，一般應達2～3mm。3）接地線應盡量不構成循環回路，這樣可以減少地線電位差。4）同一級電路的接地點應盡量靠近，并且本級電路的電源濾波電容也應接在該級接地點上。特別是本級晶體管基極、發射極的接地點不能離得太遠，否則因兩個接地點間的銅箔太長會引起干擾與自激，采用這樣“一點接地法”的電路，工作較穩定，不易自激。5）總地線必須嚴格按高頻-中頻-低頻一級級地按弱電到強電的順序排列原則，切不可隨便翻來復去亂接，級與級間寧可接線長點，也要遵守這一規定。

在布線方式上要注意以下幾點：1）印刷電路中不允許有交叉電路，對于可能交叉的線條，可以用“鉆”、“繞”兩種辦法解決。即讓某引線從別的電阻、電容、三極管腳下的空隙處“鉆”過去，或從可能交叉的某條引線的一端“繞”過去，在特殊情況下如果電路很復雜，為簡化設計也允許用導線跨接，解決交叉電路問題。2）強電流引線(公共地線，功放電源引線等)應盡可能寬些，以降低布線電阻及其電壓降，可減小寄生耦合而產生的自激。3）阻抗高的走線盡量短，阻抗低的走線可長一些，否則會引起電路不穩定。4）功率線、交流線盡量布置在和信號線不同的板上，否則應和信號線分開走線。

3.2 布局類干擾及抑制

布局類干擾前面說過是由于元件位置排列引起的干擾。PCB布局干擾只要我們注意PCB的布局原則，按照一定的方法來進行布局對于這類干擾是可以進行有效抑制的。

1）按照電源類型進行布局。這個是PCB布局中最重要的一點，電源類型包括不同的電源電壓值，數字電路和模擬電路。按照不同電壓，不同電路類型，將他們分開布局，這樣有利于最后地的分割，數字地緊貼在數字電路下方，模擬地緊貼在模擬電路下方。這樣有利于信號的回流和兩種地平面之間的穩定。2）按照器件的功能和類型來進行布局。對于功能相同或者相近的器件，放置在一個區域里面有利于減小他們之間的布線長度。而且還能防止不同功能的器件在一個小區域內形成干擾。3）共地點和轉換器的放置。由于電路中很可能存在跨地信號，如果不采取什么措施，就很可能導致信號無法回流，產生大量的共模和差模EMI。所以，布局的時候盡量要減少這種情況的發生，而對于非走不可的，可以考慮給模擬地和數字地選擇一個共地點，提供跨地信號的回流路徑。電路中有時還存在A/D或D/A器件，這些轉換器件同時由模擬和數字電源供電，因此要將轉換器放置在模擬電源和數字電源之間。4）容易形成干擾源的器件如：時鐘發生器、晶振和CPU的時鐘輸入端應盡量靠近且遠離其它低頻器件。5）小電流電路和大電流電路盡量遠離邏輯電路。6）印制板安裝在機箱時，應保證發熱量大的器件處在通風孔的地方。

3.3 電磁干擾及抑制

電磁干擾即EMI(Electromagnetic Interference)，指系統通過傳導或者輻射，發射電磁波并影響其他系統或本系統內其他子系統的正常工作。因為所有的電子產品都會不可避免地產生一定的電磁干擾，為了量度設備系統在電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁干擾的能力，人們提出了電磁兼容這個概念。美國聯邦通訊委員會在1990年和歐盟在1992都提出了對商業數碼產品的有關規章，這些規章要求各個公司確保它們的產品符合嚴格的磁化系數和發射準則。符合這些規章的產品稱為具有電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。

對于電磁兼容性，必須滿足三個要素：

1） 電磁兼容需要存在某一個特定的空間。比如，大的，一個房間甚至宇宙；小的，可以是一塊集成電路板。

2）電磁兼容必須同時存在干擾的發射體和感受體。

3）必須存在一定的媒體(耦合途徑)將發射體與感受體結合到一起。這個媒體可以是空間，也可以是公共電網或者公共阻抗。

對于EMI，可以按照電磁干擾的途徑分為輻射干擾、傳導干擾和感應耦合干擾三種形式。輻射干擾就是指如果干擾源不是處在一個全封閉的金屬外殼內，它就可以通過空間向外輻射電磁波，其輻射場強取決于裝置的干擾電流強度、裝置的等效阻抗，以及干擾源的發射頻率。如果干擾源的金屬外殼帶有縫隙與孔洞，則輻射的強度與干擾信號的波長有關。當如果孔洞的大小和波長可以比擬時，則可形成干擾子輻射源向四周輻射，輻射場中金屬物還可以形成二次輻射；傳導干擾，顧名思義，干擾源主要是利用與其相連的導線向外部發射，也可以通過公共阻抗耦合，或接地回路耦合，將干擾帶入其他電路，傳導干擾是電磁干擾的一種重要形式；感應耦合干擾的途徑是介于輻射途徑與傳導途徑之間的第三條途徑，當干擾源的頻率較低時，干擾電源的輻射能力有限。同時干擾又不直接與其他導體連接，此時電磁干擾能量則通過與其相鄰的導體產生感應耦合，將電磁能轉移到其他導體上去，在鄰近導體內感應出干擾電流或者電壓。感應耦合可以通過導體間的電容耦合的形式出現，也可以由電感耦合的形式或電容、電感混合出現。

造成設備性能降低或失效的電磁干擾必須同時具備三個要素，首先是有一個電磁場所，其次是有干擾源和被干擾源，最后就是具備一條電磁干擾的耦合通路，以便把能量從干擾源傳遞到受干擾源。因此，為解決設備的電磁兼容性，必須圍繞這三點來分析。一般情況下，對于EMI的抑制，我們主要采用三種措施：屏蔽、濾波、接地。這三種方法雖然有著獨立的作用，但是相互之間是有關聯的，良好的接地可以降低設備對屏蔽和濾波的要求，而良好的屏蔽也可以使濾波器的要求低一些。下面，我們分別介紹屏蔽、濾波和接地。

3.3.1 屏蔽

屏蔽能夠有效的抑制通過空間傳播的電磁干擾。比如：手機在撥打電話時，如果靠近某個音響設備，我們可以明顯地聽到“喀、喀聲”，我們打開手機的PCB看發現里面的很多干擾源器件都是金屬屏蔽了的。采用屏蔽的目的有兩個，一個是限制內部的輻射電磁能量外泄出控制區域，另一個就是防止外來的輻射電磁能量入內部控制區。按照屏蔽的機理，我們可以將屏蔽分為電場屏蔽、磁場屏蔽、和電磁場屏蔽。使用電場屏蔽要注意：屏蔽金屬板放置靠近受保護設備比較好，這樣將減小電場感應電壓。2）屏蔽板的形狀對屏蔽效能的高低有明顯的影響，例如，全封裝的金屬盒可以有最好的電場屏蔽效果，而開孔或帶縫隙的屏蔽罩可以有最好的電場屏蔽效果，而且開孔或者帶縫隙的屏蔽罩，其屏蔽效能會受到不同程度的影響。3）屏蔽板的材料以良性導體為佳，對厚度并無特殊要求。

磁場屏蔽通常是對直流或很低頻場的屏蔽，其效果和電場屏蔽和電磁場屏蔽相比要差很多，磁場屏蔽的主要手段就是依賴高導磁材料具有的低磁阻，對磁通起分路的作用，使得屏蔽體內部的磁場大大減弱。對于磁場屏蔽需要注意：1）減小屏蔽體的磁阻(通過選用高導磁率材料和增加屏蔽體的厚度)。2）被屏蔽設備和屏蔽體間保持一定距離，減少通過屏蔽設備的磁通。3）對于不可避免使用縫隙或者接風口的，盡量使縫隙或者接風口呈條形，并且順沿著電磁線的方向，減少磁通。4）對于強電場的屏蔽，可采用雙層磁屏蔽體的結構。對要屏蔽外部強磁場的，則屏蔽體外層要選用不易磁飽和的材料，如硅鋼等；而內部可選用容易到達飽和的高導磁材料。因為第一次屏蔽削弱部分，第二次削弱大部分，如果都使用高導磁，會造成進入一層屏蔽的在一層和二層間造成反射。如果要屏蔽內部的磁場，則相反。而屏蔽體一般通過非磁性材料接地。

電磁場屏蔽是利用屏蔽體阻隔電磁場在空間傳播的一種措施。

3.3.2 濾波

濾波通常采用三種器件來實現：去耦電容、EMI濾波器和磁性元件。

當電路在很快的器件高低電平變換的時候，就會產生一系列的正弦諧波分量，這些正弦諧波分量就是我們所說的EMI成分，這些高頻諧波會通過和其他設備之間的耦合通道對其他設備造成電磁干擾。合理使用去耦電容就能起到很好的抑制電磁干擾的效果。

我們在濾除較為低頻的噪聲的時候，就應當選擇電容值比較高的電容，想濾去頻率較高的噪聲，比如我們前面所說的EMI，則應該選擇數值比較小的電容。所以，在實際中我們通常放置一個1uf到10uf左右的去耦電容在每個電源輸出管腳處，來抑制低頻成分，而選取O.01uf到O.1uf左右的去耦電容來濾除高頻部分。為了獲得最佳的EMI抑制效果，我們最好能在每組電源和地的引腳都能安裝一個電容，但是如果電源在流出引腳前在Ic內部已經放置去耦電容，那么在引腳處就不必在和每個地之間連接一個電容了。

EMI濾波一般是用在對電源線的濾波，它是用來隔離電路板或者系統內外的電源，它的作用是雙向的，即可以作為輸出濾波，也可以作為輸入濾波。對于不同濾波器的選擇，我們通常是通過濾波器接入端的阻抗大小來決定。如果電源線兩端都為高阻，那么易選用穿心電容和Ⅱ型濾波器，但是Ⅱ型濾波器的衰減速度比穿心電容大；如果兩端阻抗相差比較大，適宜選擇L型濾波器，其中電感接入低阻如果兩端都為低阻抗，那么就選用T型濾波器。

磁性元件是由鐵磁材料構成的，用來抑制EMI最常見的磁性元件有磁珠，磁環，扁平磁夾子。由于磁性元件并不增加線路中的直流阻抗，這使得它非常適合用在電源線上做EMI抑制器件。

3.3.3 接地

在實際電路中，信號的基本接地方式有三種，浮地、單點接地和多點接地。良好的接地能夠減緩電壓瞬變，保證良好的信號回流路徑，它是抑制EMI的一種重要手段。特別是將屏蔽和接地配合使用，這樣對于高頻下的電磁兼容性問題，往往能取到事半功倍的效果。

在實際設計PCB時，我們可以采用以下措施來抑制EMI：1）保證所有的信號尤其是高頻信號，盡可能靠近地平面(或其他參考平面)。2）一般超過25MHz的PCB板設計時要考慮使用兩層(或更多的)地層。3）在電源層和地層設計時滿足20H原則。如下圖所示。

由于RF電流在電源層和地層的邊緣也容易發射電磁波，解決這個問題的最好方法就是采用20-H規則，即地平面的邊緣比電源平面大20H(H是電源到地平面的距離)。若是設計中電源的管腳在PCB的邊緣，則可以部分延展電源層以包住該管腳。

4）將時鐘信號盡量走在兩層參考平面之間的信號層。5）保證地平面(電源平面)上不要有人為產生的隔斷回流的斷槽。6）在高頻器件周圍，多放置些旁路電容。7）信號走線時盡量不要換層，即使換層，也要保證其回路的參考平面一樣。8）在信號換層的過孔附近放置一定的連接地平面層的過孔或旁路電容。9）當走線長度(單位英寸)數值上等于器件的上升時間(單位納秒)，就要考慮添加串聯電阻。10）保證時鐘信號或其他高速電路遠離輸入輸出信號的走線區域。11）盡量減少印制導線的不連續性，例如導線寬度不要突變，導線的拐角應大于90度約為135度，信號走線不能呈環狀等。12）在一些重要的信號線周圍可以加上保護的地線，以起到隔離和屏蔽的作用。13）對于跨地信號，要想辦法保證它最小回流面積。

以上我們對PCB設計的干擾與抑制進行了分析，解決電磁兼容干擾的抑制我們還應該使用一定的儀器對干擾源進行定位，如使用頻譜分析儀測量干擾源的頻率和帶寬來定位，這些內容我們將在今后的研究中進行探索。

[1] 王艷,王芳.PCB設計中的抗干擾性研究[J].科技信息,2008,14.

[2] 蔡成煒.PCB設計中電磁輻射干擾與對策[J].科技資訊,2008,12.