航空電子設備印制電路板的電磁兼容設計

田建學，魏俊淦，趙 波

（海軍航空工程學院 青島校區，山東 青島266041）

印制電路板（PCB，Printed Circuit Board）與元器件一樣，是航空電子設備最基本的組成部分。印制電路板不但對電路元器件起支撐作用，而且提供元器件之間的電氣連接，它的性能直接關系到機載設備的質量好壞。要使航空電子設備獲得最佳性能，除了元器件的選擇和電路的設計之外，良好的印制電路布局和布線在電磁兼容性中也是一個需要考慮的非常重要的因素[1]。

1 印制電路板電磁兼容設計要求

印制電路板（PCB）中的跡線由銅箔制成，存在一定的電阻和電感。另外，由于印制電路的面積和厚度都很小，因此跡線之間也存在較大的互感和電容。據推算，在0.25 mm厚的碾壓板上，位于地線層上方的0.5 mm寬、20 mm長的跡線具有2.7 mΩ直流電阻、20 nH的電感以及與地之間1.66 pF的耦合電容。與元器件的寄生效應相比，這些都是可以忽略不計的，但是所有布線的總和可能會超出寄生效應。這些寄生參數將對電路特別是高速電路的運行產生嚴重影響，如信號幅值衰減、上升時間變緩等[2]。

印制電路的設計，應使印制電路板上的電路正常實現各自的功能，各部分之間不發生干擾，對外輻射發射和傳導發射盡可能降低，外來干擾對印制電路上的電路不產生影響。

具體地講，印制電路電磁兼容性設計應實現對下述指標的控制[3]：1)來自印制電路的輻射；2)印制電路與設備中其它電路之間的耦合；3)印制電路對外部干擾的靈敏度；4)印制電路上各種電路的耦合。

2 印制電路板的布局設計

在印制電路設計中，布局是一個重要環節，布局的好壞將直接影響印制電路的電磁兼容性效果。合理的布局首先要考慮印制電路尺寸的大小，印制電路尺寸過大，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；尺寸過小，則散熱不好，且鄰近跡線易受干擾。在確定印制電路的尺寸后，再確定特殊元器件的位置。最后，根據電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局。

在進行元器件布局前，應先對印制電路上的元器件分組，目的是對印制電路上的空間進行分割，同組的放在一起，以便在空間上保證各組的元器件不至于相互干擾。一般先按使用電壓進行分組，再按數字與模擬、高速與低速以及電流大小進一步分組[4]。不兼容的器件要相互分開，如發熱器件遠離關鍵集成電路，磁性組件要屏蔽，敏感器件則應遠離CPU時鐘發生器等。

由于數字電路、模擬電路及電源電路的組件布局和布線特點各不相同，它們產生的干擾及抑制干擾的方法也不相同。此外，高頻、低頻電路由于頻率不同，其干擾及抑制方法也不相同。所以，在組件布局時，應將數字電路、模擬電路和電源電路分別布置，將高頻電路和低頻電路分開。

在元器件布局方面，應把相互有關的元器件盡量靠近，以獲得較好的抗干擾效果。組件在印制電路上排列的位置要充分考慮抗電磁干擾，各部件之間的引線要盡量短。

根據電路的功能單元對電路的全部元器件進行布局時，要貫徹以下原則[5]：

1)按電路流程安排位置。按照電路的流程安排各個功能單元電路的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一定的方向。

2)以核心元器件為中心。以每個功能電路的核心元器件為中心，圍繞它來進行布局。

3)合理排列元器件。元器件應均勻、整齊、緊湊地排列在印制電路上，一般電路盡可能使元器件平行排列；某些可能存在較高電位差的元器件或導線之間的距離應適當增大，以免放電引起意外短路；帶高電壓的元器件要盡量放置在手不易觸及的地方，以免調試時觸電；易受干擾的元器件不能靠得太近，輸入和輸出元件盡量遠離；位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2 mm。

4)盡可能縮短高頻下工作元器件之間連線。在高頻下工作的電路，應盡可能縮短元器件之間的連線，設法減少元器件之間的分布參數和相互間的電磁干擾。

5)盡可能減小環路面積。應盡可能減小環路面積，以抑制輻射干擾。

6)質量重、體積大、發熱多元器件不宜直接安裝。質量超過15 g的元器件，應當用支架加以固定，然后焊接；對于那些又大又重、發熱量多的元器件，不宜直接裝在印制板電路上，而應裝在整機的機箱底板上，并考慮散熱問題。

7)大尺寸電路板應有足夠機械強度。電路板尺寸大于200 mm×150 mm時，則應考慮電路板的機械強度。

8)所有電連接器應集中置于印制電路板上。所有電連接器應置于印制電路板的一側或一角；電連接器往往會成為有效天線部分，將其置于印制電路板的一側，有利于控制電連接器間的共模電壓。

3 印制電路板的布線設計

在印制電路設計中，布線是實現產品設計的重要步驟。在印制電路設計過程中，布線設計所受的限定最多，但也是技巧最細、工作量最大的工作。由于印制電路上的電子元器件密度越來越大，走線越來越窄，信號的頻率越來越高，不可避免地會引入電磁干擾。印制電路布線設計的目的是使印制電路上各部分電路之間沒有互相干擾，并使印制電路的傳導發射和輻射發射盡可能降低。

1)布線原則

印制電路布線的一般原則如下[6]：

①增大走線的間距以減少電感耦合和電容耦合的干擾。

②平行布局電源線和地線，以使印制電路去耦電容達到最佳。

③將敏感的高頻線布置在遠離高噪聲電源線的地方。

④加粗電源線和地線，以減小電源線和地線的阻抗。

需要指出的是，印制電路布線沒有嚴格的規定，也沒有能覆蓋所有印制電路布線的專門規則。大多數印制電路布線受限于印制電路尺寸的大小和銅板的層數。一些布線技術可以應用于一種電路，卻不能應用于另一種電路。

2)布線技術

印制電路布線時，主要考慮以下幾個方面的問題。

①分割

分割是指利用物理上的分離來減少不同類型線之間的耦合，尤其是電源線和地線。圖1給出了用分割技術將4個不同類型的電路分離開的例子。

圖1 分割功能塊Fig.1 Split function blocks

在地線面，非金屬的溝道用來隔離4個地線面。電感和電容作為印制電路上的各部分之間的過濾器，用以減少不通電路電源面間的耦合。高速數字電路由于需要更高的瞬時功率而須放在電源入口處。接口電路可能會需要靜電釋放和瞬時抑制的器件或電路。對于電感和電容來說，最好使用不同值的電感和電容，而不是用同一種參量的電感和電容，因為這樣它便可以為不同的電路提供不同的濾波特性。

②局部電源和集成電路間去耦

局部去耦能夠減少沿電源干線的噪聲傳播。連接著電源輸入口與印制電路之間的大容量旁路電容起著一個低頻脈動濾波器的作用，同時還可以作為一個電能儲存器以滿足突發的功率需求。在每個集成電路的電源和地之間都應當有去耦電容，這些去耦電容應該盡可能地靠近電源引腳，以更好地濾除集成電路的開關噪聲。在考慮安全的前提下，電源線應盡可能靠近地線，在電源線和地之間形成去耦電容。這種布置也減小了差模輻射的環面積，有助于減少電路的干擾。

③電流返回通路短、環路區域小

不管是對多層印制電路的基準接地層還是單層印制電路的地線，電流的路徑總是從負載回到電源。返回通路的阻抗越低，印制電路的電磁兼容性越好。由于流動在負載和電源之間的高頻電流的影響，長的返回通路將在彼此之間產生耦合。因此，返回通路應當盡可能短，環路區域應當盡可能小。

④布線分離

布線分離的作用是將印制電路同一層內相鄰線路之間的串擾和噪聲耦合最小化。在線與線、邊沿到邊沿間的間隔遵循3W規則（W為線寬），如圖2所示。所謂3W規則是指為了減少線間串擾，應保證線間距足夠大，當線與線中心距不少于3倍線寬時，則可有效降低線與線之間的電場和磁場耦合。為了進一步減小磁場耦合，將基準地布放在關鍵信號線附近，以隔離其它信號在線上產生的耦合噪聲。

圖2 跡線隔離Fig.2 Traces isolation

⑤保護與分流電路

在時鐘電路中，局部去耦電容對于減少沿著電源線的噪聲傳播有著非常重要的作用。但是時鐘線同樣需要保護，以免受其它電磁干擾源的干擾，否則受干擾時鐘信號將在電路的其它地方引起問題。

設置分流和保護線路是對關鍵信號（如對在一個充滿噪聲的環境中的系統時鐘信號）進行隔離和保護的非常有效的方法。印制電路上的分流或者保護線路是沿著關鍵信號的線路兩邊布放隔離保護線。保護線不僅隔離了由其它信號線上產生的耦合磁通，而且也將關鍵信號從與其它信號線的耦合中隔離出來[7]。

分流線路和保護線路之間的不同之處在于分流線路不必兩端端接（與地連接），但是保護線路的兩端都必須連接到地。為了進一步地減小耦合，多層印制電路中的保護線路可以每隔一段就加上到地的通路。

⑥避免阻抗不連續及形成尖銳的拐角

從驅動源到負載，信號路徑的寬度應該是常數。改變路徑寬度會使阻抗路徑（電阻、電感和電容）發生改變，從而產生反射并造成線路阻抗不平衡，所以最好保持路徑的寬度不變。

在一個線條中形成尖銳的拐角也會引起阻抗的非線性。因為這個尖銳的拐角會使線條的一個部分與另一個部分之間形成雜散的寄生電容，在內部的邊緣也會產生集中的電場，易導致放電。該電場能產生耦合到相鄰路徑的噪聲，因此改變路徑時，全部的直角路徑應該采用平滑曲線轉向或45°轉向。這種布線方式對上升時間在1ns以下的信號傳輸尤為重要。

⑦避免短截線對傳送高頻率和敏感信號影響

由于阻抗的不連續，信號通過短截線容易產生反射。同時，雖然短截線長度可能不是系統的已知信號的波長的四分之一，但是附帶的輻射可能在短截線上產生諧振，大大衰減流經它們的信號。因此，應避免在傳送高頻率和敏感信號的路徑上使用短截線（如圖3）。

類似地，星形或輻射形排列適用于來自多個印制電路的地線連接，但是它帶有能產生多個短截線的信號路徑。因此，對于高速和敏感信號，應避免星形或輻射形布線。

圖3 短截線Fig.3 Stub line

⑧最小化環路面積

當任意一個電路回路中有變化的磁通量穿過時，都會在環路內感應出電流，電流的大小與磁通量的變化率成正比。較小面積的環路中通過的磁通量少，感應出的電流也較小，因此環路面積必須最小。保持信號路徑和它的地返回線緊靠在一起有助于最小化地線環路，避免出現潛在的天線環。減小回路面積的另一種方法是在關鍵信號線線邊上布一條地線，這條地線應盡量靠近信號線，這樣就形成了較小的回路面積[8]。

3)布線技巧

①布線走向

印制導線的布設應盡可能短，在高頻回路中更應如此。同一元器件的各條地址線或數據線應盡可能保持一樣長；雙面布線時，兩面的導線應相互垂直、斜交，避免相互平行，以減少寄生耦合；作為電路的輸入及輸出用的印制導線應盡量避免平行，最好在這些導線之間加布地線。

②布線寬度

印制導線的寬度應滿足電氣性能要求而又便于生產，它的最小值根據承受電流的大小而定，但最小不宜小于0.2 mm，在高密度、高精度的印制線路中，導線寬度和間距一般可取0.3 mm；導線寬度在大電流情況下還要考慮溫升；印制導線的公共地線應盡可能地粗，可能的話，使用大于2～3 mm的線條，這一點在帶有微處理器的電路中尤為重要，因為當地線過細時，由于流過的電流變化使地電位變動，微處理器定時信號的電平不穩，會使噪聲容限劣化。

③布線間距

印制導線的間距應盡量寬些，一是為了滿足電氣安全要求，適合能承受的電壓，二是便于操作和生產，三是考慮到導線之間存在某種程度的金屬殘粒時會減小實際間距。

④避免布線交叉

印制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，即讓某線條從別的電阻、電容、三極管腳下的空隙“鉆”過去，或者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。

⑤布地線

印制導線的公共地線，應盡量布置在印制板的邊緣部分。在印制板上，應盡可能多地保留銅箔做地線，這樣得到的屏蔽效果比一長條地線要好，傳輸線特性和屏蔽作用也將得到改善，另外還起到了減小分布電容的作用。

印制導線的公共地線最好形成環路或網狀，這是因為如果在同一電路板上有許多集成電路或耗電多的元器件時，由于圖形上的限制產生了接地電位差，從而引起噪聲容限的降低，當做成回路時，接地電位差就可以減小。

另外，接地和電源的布線要盡可能與數據的流動方向平行，這樣可以提高對噪聲的抑制能力；多層印制板可采用其中若干層作為屏蔽層（地線層或電源層），一般屏蔽層設計在多層印制線路板的內層，信號線設計在內層和外層。還要注意的是，數字電路和模擬電路盡可能隔離分區，并且數字地和模擬地要分離，最后接于電源地。

4 結束語

由于電磁兼容設計是實現機載設備或系統規定功能、使系統效能得以充分發揮的重要保證，必須在機載設備或系統功能設計的同時，開展電磁兼容設計。在航空電子設備的設計過程中，印制板電路作為整機設備的關鍵性、基礎性設計，其電磁兼容性的優劣將直接影響航空電子設備整機的電磁兼容性，可以說印制板電路電磁兼容性設計是整機電磁兼容性設計的關鍵中的關鍵。因此，在機載設備的開發設計過程中，必須高度重視印制電路板的電磁兼容性設計。

[1]區健昌．電子設備的電磁兼容性設計理論與實踐[M]．北京：電子工業出版社，2010．

[2]楊文昌．電子設備的電磁兼容結構設計[J]．機電工程技術,2007,36(8):47-48.YANG Wen-chang.Design of EMC structures for electronic equipment[J].Mechanical&Electrical Engineering Technology,2007,36(8):47-48.

[3]田建學．機載設備電磁兼容設計與實施[M]．北京：國防工業出版社，2010．

[4]呂文紅．電磁兼容原理及應用教程[M]．2版，北京：清華大學出版社，2008．

[5]王艷春，祖靜，崔春生．印制電路板的電磁兼容性設計[J]．計量與測試技術，2011(1):47-49.WANG Yan-chun,ZU Jing,CUI Chun-sheng.The EMC design of printed circuit board[J].Metrology&Measurement Technique,2011(1):47-49.

[6]白云同．電磁兼容設計實踐[M]．北京：中國電力出版社，2007．

[7]王 丹，閆利超．高速DSP系統的電路板級電磁兼容性設計[J]．現代電子技術，2010（9）：35-37.WANG Dan,YAN Li-chao.Board-level EMC design of highspeed DSP system [J]．Modern Electronics Technique,2010（9）：35-37.

[8]吳建輝．印制電路板的電磁兼容性設計[M]．北京：國防工業出版社，2005．