淺談多層電路板電磁兼容設計

摘 要：多層電路板的電磁兼容性是指系統設備在電磁環境中能夠正常運作，且在運作過程中不會對設備或其他系統造成干擾。多層電路板設計中尤其要重視就是電磁兼容設計，本研究介紹了在設計多層電路板時應充分了解的電磁兼容性特性與設計原則，對電路的電磁兼容進行分析，考量其電磁兼容性。

關鍵詞：多層電路板；電磁兼容

中圖分類號：TN4 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）04-0053-03

Abstract：The EMC of a multi-layer circuit board means that the system equipment can operate normally in the electromagnetic environment and will not interfere with the equipment or other systems during the operation. In the design of multi-layer circuit board，we should pay special attention to EMC design. We must fully understand the characteristics and design principles of EMC when designing the multilayer circuit board，analyze the electromagnetic compatibility of the circuit and examine its EMC.

Keywords：multilayer circuit board；electromagnetic compatibility measurement

0 引 言

隨著電子技術逐步向小型化、大規模集成化等方面發展，在計算機、通信設備等領域中大量采用現代電子技術后，電路板電磁兼容問題更加不容忽視。電磁兼容也是隨著電子信息技術發展而來的一門新興的學科，電磁兼容性是指設備與系統在電磁環境中正常運行，同時不會對其他設備造成干擾。本文詳細介紹了多層電路板電磁兼容的特征、設計的一般原則、設計過程中的電磁兼容設計及相關抗干擾技術等。

1 電磁兼容特性的特征

電磁兼容的主要研究內容是電磁干擾和抗干擾的問題。要設計出符合電磁兼容要求的產品，首先要對電磁兼容的特性進行充分的了解。對電子產品而言，電磁兼容問題的發生是在以下幾點基本條件下：存在的干擾源；有干擾的完整耦合通道；被干擾的對象有響應。因此，電子設備或是電磁兼容設計主要就是研究如何控制干擾源，切斷或控制電磁干擾的耦合通道，提高設備或是系統的抗干擾能力。

電路板是電子設備最基本的元素，是電路元件和器件的支撐點，它起到了電子設備中元件與器件鏈接的作用。當前是集成電路大規模運用的時代，單層電路板已經不能滿足高密度布線、高集成的電路，因此多層電路板的運用越來越廣泛。多層電路板上元器件的高頻寄生特性往往是導致產品電磁兼容問題最主要的內部因素。同樣，在不同的頻率下，導線、電阻、電容和電感均會表現出不同的特征。

1.1 導線的頻率特征

多層電路板上的走線和元器件的引腳導線都有寄生電感和電容，這些寄生電感和電容會影響到導線的頻率特性，從而有可能在元器件和導線之間產生諧振，致使導線成為電磁干擾的重要發射天線。

1.2 電阻的頻率特征

電阻的高頻寄生特性主要受其制作材料和封裝工藝的影響，其寄生電容主要存在于電阻兩端，對于高頻電路而言，電阻的寄生電容是導致電磁兼容問題的一個重要因素。

1.3 電容的頻率特征

作為重要的濾波、去耦、儲能元件，電容在電子電路中有著廣泛的應用。但是在高頻電路中，當電路的工作頻率超過了電容的自諧振頻率時，其寄生電感將使電容表現為電感特性，從而失去原有的功能并影響電路的工作性能。

1.4 電感的頻率特征

在電子電路中，電感通常用于對電磁干擾的抑制。但是，當電路的工作頻率增加時，電感的等效阻抗會隨著電路的工作頻率增加而加強；當電路的工作頻率超過電感的工作頻率時，電感就影響了電路的正常工作。當然，產生電磁兼容問題還有部分外部因素，例如雷電、電源問題、靜電等，文章在此不做詳細分析。

2 多層板電磁兼容的設計原則

多層板的電磁兼容設計是一個廣而大的系統工程，電路板的材料、板層的選擇、電子元件的選擇以及電路板的布局布線等都會影響到電路板的電磁兼容性能。在設計時，遵循正確的設計原則可以有效地提高電路板的電磁兼容性能。

2.1 電路板材料、層數的選擇

電路板材料選擇。作為電子產品的支撐件，電路板的材料對其電磁兼容性有著相當大的影響。在選擇電路板材料時，一般需要從結構強度、耐熱性、平整度以及電氣性能等方面進行考慮。—般的電子產品采用FR-4環氧玻璃纖維基板，而對于高頻電路，則要求選擇介電常數高、介質損耗小的材料，一般選擇聚四氟乙烯玻璃纖維基板。

電路板層數選擇。一般而言，多層板雖然具有更好的電磁兼容特性，但是也相應地增加了設計的成本和難度。確定多層電路板的層疊結構需要考慮較多的因素。從布線方面來說，層數越多越利于布線，但是制板成本和難度也會隨之增加。對于生產廠家來說，層疊結構對稱與否是電路板制造時需要關注的焦點，所以層數的選擇需要考慮各方面的需求，以達到最佳的平衡。對于有經驗的設計人員來說，在完成元器件的預布局后，會對電路板的布線瓶頸處進行重點分析。結合其他因素分析電路板的布線密度；再綜合有特殊布線要求的信號線如差分線、敏感信號線等的數量和種類來確定信號層的層數；然后根據電源的種類、隔離和抗干擾的要求來確定內電層的數目。確定了電路板的層數后，接下來的工作便是合理地排列各層電路的放置順序。在這一步驟中，需要考慮的因素主要有以下兩點，一是特殊信號層的分布，二是電源層和地層的分布。

2.2 元器件選擇

電路板上的元器件是電磁干擾的主要來源。器件的寄生電容和電感，信號電壓、電流及其電磁場，數字電路正負邏輯之間的轉換等都會造成電磁干擾。因此，在進行電路板設計時，設計者首先應該根據器件的封裝、工藝及輸出驅動類型等來選擇合適的元器件。

2.3 多層電路板布局

確定電路板的總體結構，選擇合適的傳輸線模型和合理的分層來抑制電路板上的電磁干擾，要比依靠各種外部屏蔽措施有效得多。

為減小電磁輻射的干擾，應盡量選擇使用多層板，其內層各自作為電源層和地線層，以降低供電線路阻抗，形成均勻的接地面，加大信號線和接地面間的分布電容，控制其向空間輻射干擾的能力。

選擇電路板時要注意尺寸。電路板尺寸過大時，印制線條較長，增加了線路阻抗，設計單位為降低其抗噪聲能力就不得增加其設計成本；電路板尺寸過小則影響電路的散熱效果，并導致鄰近線條間的干擾增加。具體的尺寸應根據產品的實際需求確定。此外，還應確定包括高頻器件、高壓器件、可調器件以及大型、異型器件在內的特殊元件的布局。

3 高速電路的電磁兼容分析

3.1 高速電路的干擾源

在高頻電路中，通常需要采取多種措施來抑制電磁干擾，一般而言，越接近干擾源，抑制干擾所需的成本就越小。高頻電路中，電磁干擾主要來自器件工作的噪聲干擾和高頻信號噪聲干擾。

3.2 高速電路的干擾防護

高速電路的干擾防護是一項系統工程，要可靠地抑制電磁干擾，則必須從電磁干擾的核心要素出發，采取有針對性的措施。電磁干擾的核心要素是干擾源、耦合通道和敏感對象，因此，干擾防護的措施也集中在這3個方面，即抑制和屏蔽干擾源、切斷耦合通道和保護敏感對象。

3.2.1 抑制和屏蔽干擾源

高速電路的干擾源主要有器件高速工作時的輻射噪聲、高速信號噪聲、電源及底線噪聲等。輻射干擾是高頻電路中主要的干擾源。消除輻射干擾的方法包括選取合適器件降低輻射和采取屏蔽措施對干擾源進行隔離。前者是從輻射源內部消除輻射，后者則是通過切斷由干擾源至敏感對象的感應和傳播通道來消除干擾，盡可能地減少或者避開信號。電流閉合環與噪聲電流閉合環，無論是在信號通路的導體圖形中，還是在電源通路的導體圖形中，都可能有電磁干擾電流流動。當有電磁干擾電流疊加到信號電流或者電源供電電流上時，就應當邊設計邊檢查電路是否構成了最小的閉合內側環路。電容與集成電路或者大規模的集成電路分布于電源的兩側，干擾電流閉合環疊加于電源供電電流之上，因而會形成較強的電磁干擾，改變電容位于電源與集成電路或者大規模集成電路之間靠近電源的方位，結果就不會形成疊加于電源供電電流之上的干電流閉合環，因此不會形成較強的電磁干擾。在選用器件時，對高頻電路來說，應選用適宜的芯片，以減少電路輻射。在滿足系統工作性能的前提下，盡量選擇低工作頻率和長上升時間的器件，在選擇邏輯器件時，則要充分考慮其噪聲容限指標。屏蔽措施包括靜電屏蔽和電磁屏蔽兩種。前者主要用于防止靜電場及穩定磁場的干擾，后者則主要用于各種交變電磁場的防護。不論采用哪種屏蔽措施，都必須有完善的屏蔽體和良好的接地面，屏蔽體必須具有良好的導電性能，通常采用各種具有高導電性能的材料作為屏蔽材料。

3.2.2 抑制耦合通道

多層電路板中電磁干擾的耦合通道有很多。本文篇幅有限，僅簡要地敘述空間電磁耦合和傳導耦合。空間電磁耦合主要的抑制方法是采取電磁屏蔽，將干擾源與敏感對象有效隔離，在條件允許的情況下，還需要盡可能多安排地線，以滿足信號回路的需要和靜電能量的泄放等需求。傳導耦合主要的方法是在信號布線時，合理安排高速信號線的走向。

3.2.3 保護敏感對象

保護高速電路中的敏感對象，本研究主要從以下兩點來簡要闡述。一是切斷敏感對象與電磁干擾之間的通道；二是降低敏感對象的敏感度。但是在具體操作中并不像想象中的那樣簡單，電子設備的敏感度是利弊共存，不可分割的，設計者希望電子裝置的靈敏度高，以提高對設備運行的能力；但是靈敏度提高的同時也代表著其他因素干擾的可能性變大，從而又影響了設備的正常運行。因此，電子設備的敏感度還應該具體問題具體分析，在設計中把握好尺度尤其關鍵，也體現出設計者的設計能力。通常情況下，對敏感對象的保護應是幾種要素相結合，并且需要在實驗中反復驗證，將干擾驗證做到極限。

4 結 論

多層電路板設計過程中的電磁兼容設計及相關抗干擾技術，還需與具體設計實踐相結合。研究者在實踐中應不斷加深對電路板電磁兼容設計的認識，不斷提高自身的實際操作能力。

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作者簡介：成珂（1997.02-），男，漢族，湖北陽新人，本科。研究方向：電子信息科學與技術。