航天電子線路產品印制線路板相關電磁兼容性設計

魏凌云

（北京控制工程研究所，北京 100190）

0 引言

電磁兼容（Electromagnetic Compatibility, EMC）設計的目的是使所設計的電子線路產品或系統在預期的電磁環境中實現EMC。目前航天器中所有的電子線路產品都是通過設計印制線路板來實現其功能。諸多的應用實例表明，即使電子線路產品在原理圖設計階段沒有問題，若其印制線路板的EMC 設計不當，也不能實現預期的功能，因此良好的EMC 設計是所有電子線路產品乃至整個航天器設計的關鍵。

電子線路產品的EMC 設計分為產品內和產品間兩部分，產品內的EMC 設計又分為有源器件的選用、布線、接地、屏蔽及濾波5 個部分[1]。電子線路產品設計人員在最開始的電原理設計時就需要考慮EMC 設計。同時，在印制線路板布線設計過程中的EMC 設計也是重要環節之一，特別是印制線路板的地線設計是其中的重中之重，地線設計的好壞將直接影響整個產品的EMC 性能。因此，本文主要分析印制線路板布線的EMC 設計，重點是印制線路板上地線的設計。

1 印制線路板布線設計中的EMC 技術

1.1 印制線路板種類

印制線路板是電子產品實現其功能的重要載體，如果設計得當，它將具有減少騷擾和提高抗擾 度的優點。印制線路板設計應符合GB 4588.3-8《印制電路板設計和使用》的要求。目前航天領域使用的印制線路板主要有2 種，即雙面（2 層）板和多層板。本節首先介紹印制線路板布線設計時運用到的EMC 技術，然后主要針對雙面板和多層板這2種印制線路板給出相關布線的EMC 設計方案。

1.2 降低和抵抗傳導和輻射騷擾的基本原理

1.2.1 公共阻抗與近場耦合最小化原理

當出現大的穩態電流或電流變化很快時，公共阻抗會產生共阻抗型傳導騷擾，因此使公共電源線和地線上的公共阻抗變小，其產生的共阻抗型傳導騷擾就會降低。

當信號線間分布電容或分布互感較大時，會產生近場耦合型傳導騷擾，因此使信號線間的分布電容或分布互感變小，其產生的近場耦合型傳導騷擾就會降低。

1.2.2 鏡像平面與磁通最小化原理

當正線與回線電流大小相等、方向相反且距離無限小時，正線與回線電流產生的空間電磁場相反而抵消，不產生電磁輻射。從電路角度看，此時互感等于自感。

當正線與回線電流大小相等、方向相反時，回線電流相當于正線電流的鏡像。因此，如能建立一個鏡像平面作為回線，就可以使正線電流與回線電流大小相等、方向相反。

以上兩點即是鏡像平面與磁通最小化原理，它們引申到印制線路板布線設計時的基本原則是：使信號線正線電流與回線電流相等，并使它們組成的回路面積盡可能小。這樣可以有效降低電磁輻射并有利于抵抗電磁騷擾。

1.3 雙面板EMC 設計方案

雙面板的優點是安裝在印制線路板上的元器件易于修改或更換，只適用于要求中等密度的場合。在進行雙面板設計時應該首先將地線網格布好，然后再進行信號線及電源線的布線，但地線網格設計不適合低頻小信號模擬電路。雙面板設計若忽略過孔的阻抗，建議將雙面板的一面走橫線、另一面走豎線，同時將高速信號線盡量靠近地線以減小環路面積。

在高速數字電路中要盡量避免使用“梳狀”的地線設計（圖1），這種地線結構會導致信號回流電流的環路面積很大，增加印制線路板的輻射和敏感度，且芯片之間的公共阻抗也可能會造成電路的誤動作。解決措施是在梳齒間增加橫線，即將“梳狀”地線結構變成地線網格。

需要注意的是在印制線路板設計時不能將數字地與模擬地重合，這樣會使數字電路騷擾耦合進模擬電路，但數字地和模擬地可以在數-模轉換器的部位單點連接。

圖1 梳狀地線結構Fig.1 Structure of ground wire of comb type

1.4 多層板EMC 設計方案

為滿足當前電子產品功能不斷增加、體積逐步縮小的要求，印制線路板設計已不再僅使用雙面板設計，正在逐步向多層板發展。

多層線路板是由預浸環氧玻璃布把3 層以上 的分離導電圖形黏接層壓而成，電源和地線是由非浸蝕35 μm 銅箔板構成的，這樣電源和地線組成的平面就具有極低的分布源阻抗。因此，多層板比雙面板更能避免共阻抗耦合，提供屏蔽。多層板的缺點是不易于修改，只適用于設計預期變化不大或沒有變化的產品。

4 層以上（含4 層）的線路板統稱為多層板。實踐經驗表明，為使多層印制線路板具有較好的電磁兼容性，在進行分層設計時應依據以下原則。 1）4 層板分層：信號層，地線層，電源層，信號層。如果電源電壓有多種規格，可在電源層作劃分或連接，但地線層最好不作劃分，且重要信號線緊挨著地線層。2）6 層板分層：信號層，地線層，信號層，電源層，地線層，信號層。這種設計是為了保證電源和地之間的距離較小，這樣電源的解耦效果較好，且內層信號之間沒有串擾現象。3）8 層板分層：信號層，地線層，信號層，地線層，電源層，信號層，地線層，信號層。這種設計與6 層板分層的原則一致。4）10 層板分層：信號層，地線層，信號層，信號層，地線層，電源層，信號層，信號層，地線層，信號層。如果印制線路板的分層繼續增多，其設計仍可按照上面的分層原則進行。

另外，多層印制線路板的設計還應遵守以下幾條共同的原則。1）主電源平面層即平均功率最大的電源層一定要緊鄰地線層，且在地線層的下面，這樣可以保證電子線路中的電源與地的距離最近，有利于電源的解耦。2）數字電路與模擬電路分開。3）時鐘電路及高頻電路是主要的輻射源，應單獨安排、遠離敏感電路。4）20H 原則：即要求印制線路板電源層等的物理尺寸應該比最靠近的地線層的物理尺寸小20H（H 為電源層和地線層間的距離[2]），這樣的設計可以將電源對附近電路的耦合降低70%左右；當這個距離增加為100H 時，電源對附近電路的耦合幾乎可以降低98%。5）2W 原則：即要求保證任何線條間距不小于2 倍的印制導線線條寬度（W 為印制導線線條寬度[4]）。6）在印制線路板上不允許有任何電氣上沒有連接并懸空的金屬存在，例如集成片上空閑的引腳、散熱片、金屬屏蔽罩、支架和板上沒有利用的金屬面等都應該就近連接地線層。

2 印制線路板中的地線設計

2.1 接地設計原則

印制線路板的地線設計是印制線路板設計的一個基本問題，是一項難度較大的設計，也是解決EMC 問題最有效和最廉價的方法。為了能夠完美實現電原理設計的初衷，在進行印制線路板設計過程中，地線設計起到了非常關鍵的作用。所謂“地”一般定義為電路或系統的零電位參考點。“接地”一般是指電路或系統與“地”之間建立低阻通路，其中一點通常是系統的一個電氣或電子元件，而另一點則是稱之為“地”的參考點[3]。印制線路板接地的目的就是為了對線路板上的信號電壓提供參考地，而其印制線路板EMC 設計核心就在于減小接地線的阻抗。為了實現這一目的，一般在印制線路板的板級地線設計中應遵守以下原則[4]。

1）根據工作頻率選擇正確的接地方式

在低頻（頻率小于1 MHz）電路中，接地阻抗較小，而接地電路中的環流對干擾的影響不容忽視，宜采用單點接地設計方式；若信號工作頻率大于10 MHz 時，接地阻抗變得很大，應采用多點就近接地的設計方式以期盡量降低接地阻抗；當信號工作頻率達到100 MHz 時，應采用多點接地法且地線長度不應超過信號波長的1/20，這樣才能獲得較低的接地阻抗。

2）保證接地線有足夠寬度

若接地線很細，接地阻抗就較高，這樣接地電位則容易隨電流的變化而變化，影響電子線路的抗噪聲性能。因此應盡量將接地線加粗，如有可能接地線的寬度應不小于3 mm。

3）將接地線構成閉環路

若設計只由數字電路組成的線路板的地線系統時，將地線做成封閉環路可以明顯降低接地阻抗，縮小不同接地點間的電位差，提高電子線路產品的抗噪聲能力。

4）雙面板地線布局設計準則

對雙面板上的數字電路來說，最好采用網狀/矩陣狀的地線布局，因為這種配置可以降低接地阻抗，減小接地回路和信號環路長度。電源線和地線的最小寬度應為1.5 mm。

5）多層板地線布局設計準則

如果電源電壓有多種規格，地線層最好不要劃分，重要信號一定要緊靠地線層走線。當采用多層印制線路板設計時，如1.3 節所述可將其中幾層作為地線層，這樣有利于降低整個電子線路系統的接地阻抗，同時又能起到良好的屏蔽作用，達到電磁兼容的目的。

2.2 接地方式設計

目前電子產品在系統中的接地方式可以分為懸浮地、單點接地（串聯單點接地和并聯單點接地）、多點接地及混合接地等。

1）懸浮地是指電子線路產品的地線在電氣上與系統的參考地相絕緣，如圖2所示。

圖2 懸浮地Fig.2 Suspended grounding

2）單點接地是指所有線路的地線接到公共地線的同一點，單點接地還可進一步分為串聯單點接地和并聯單點接地，如圖3、圖4所示。單點接地設計常應用于模擬電路。

圖3 串聯單點接地Fig.3 Series single point grounding

圖4 并聯單點接地Fig.4 Parallel duplicate point grounding

3）多點接地是指所有線路的地線都接到公共地線的不同點上，即線路地線設計采取就近接地的方法，如圖5所示。在數字電路及高頻大信號電路中推薦使用多點接地，且要求每根接地線的長度小于信號波長的1/20，這樣能夠降低接地阻抗產生的共模電壓，但這種方式不適合敏感的模擬電路。

圖5 多點接地Fig.5 Multipoint grounding

4）混合接地是指在地線系統內使用電感、電容連接，利用電感、電容在不同頻率下有不同阻抗的特性使線路在不同的工作頻率下具有不同的接地結構，如圖6所示。在多層、多電源且數、模混合的印制線路板設計中，建議選用混合接地方案。

圖6 混合接地Fig.6 Hybrid grounding

3 航天產品應用舉例

目前航天產品有一個共同的特點和要求就是盡可能減小產品的尺寸、質量和功耗。航天電子線路產品也逐漸向一體化、小型化和低功耗方向發展。減小印制線路板的尺寸可以直接減小航天電子線路產品的尺寸和質量；同時，將電子線路與機械部件集成在一起，也是航天機電產品一體化的發展方向。但電路的高度集中會造成模擬小信號和驅動大信號電路，低頻模擬電路和高頻數字電路分布在同一塊印制線路板中，印制線路板設計師在布線時稍不注意，就有可能帶來印制線路板的EMC 設計問題。

例如：某航天產品，為了實現一體化設計，在電子線路分板設計時需要將模擬小信號采集電路和大電流驅動電路放在同一塊印制線路板中。最初的布線如圖7所示，存在共阻抗騷擾。

生產加工完成的線路板，加電工作時的大電流驅動電路工作特性為幾千Hz 斷續工作，小信號采集電路上存在很大的電壓噪聲。這是由于兩部分電路在物理上共用了一段電源線和地線，產生共阻抗騷擾引起的。后來，將大電流驅動電路和小信號采集電路的電源線和地線分別布線（如圖8所示），消除了共阻抗騷擾。

圖7 存在共阻抗騷擾布線Fig.7 Wiring with impedance disturbance

圖8 消除共阻抗騷擾布線Fig.8 Wiring of avoiding impedance disturbance

4 結束語

航天電子線路產品印制線路板布線的EMC 設計是技術性很強的工作，尤其是地線的設計需要大量的工程經驗積累作為基礎。本文主要針對印制線路板設計中布線的EMC 技術和印制線路板中地線走線設計的原則進行了相關闡述，針對印制線路板的種類給出了雙面板和多層板以及接地方式的設計方案，對從事相關領域技術工作的技術人員具有一定的指導意義。

（References）

[1]楊克俊.電磁兼容原理與設計技術[M].北京∶人民郵電出版社, 2004∶352

[2]白同云, 呂曉德.電磁兼容設計[M].北京郵電大學出版社, 2001∶286

[3]顧海林.電磁干擾與電磁兼容性技術綜述[J].科技創新導報, 2008 (28)∶88-89

[4]王芳.提高印制電路板的抗干擾能力及電磁兼容的措施[J].信息技術, 2009(7)∶174-177 Wang Fang.The measures of improving the anti-interference capability and electromagnetic compatibility of PCB[J].Information Technology, 2009(7)∶174-177