PCB設計中的電磁兼容性技術

摘要：本文從PCB板的分層方案、電源與接地、布線設計等方面介紹了PCB板電磁兼容設計要點，為硬件設計人員解決PCB板的電磁兼容問題提供可行性措施。

關鍵詞：PCB 設計;電磁兼容;EMC設計

一、引言

隨著微電子和通信技術的發展，空間的電磁環境也變得日益復雜，對電子設備的電磁兼容設計提出了更高的要求。保證設備或系統功能的復雜電磁環境中正常運行和減少相互間的干擾，是PCB板在電磁兼容設計中需要解決的問題。

二、PCB板的電磁兼容設計

1.PCB板的分層設計方案

PCB板的分層設計通常有單層板，兩層板及多層板。對于布線密集，元器件密度高的高速信號PCB板，一般采用四層或者四層以上的多層板，因為多層板可以設計專門的電源和地平面層，有效的減少高速信號和電源信號的回流路徑，同時也減少信號線與電源或地平面層距離減少回路面積，從而減少輻射有效的提高PCB板的電磁兼容性。以下將主要介紹四層和六層PCB板的分層設計方案。

四層PCB板分層設計主要有表2中的三種方案

若四層PCB板中間兩層設置為電源平面層和地平面層，可以減少兩平面層間的電感同時層間的分布電容可以提供很好的高頻解耦作用，降低電源與地層兩平面層間的噪聲電壓。

通常四層PCB板涉及優先選擇方案一的層疊模式，因為設計習慣在頂層通常放置關鍵芯片，而底層主要放置容阻料，芯片下為地平面層即可作為屏蔽層又可為頂層信號走線提供參考平面;而方案二的層疊模式用于主要芯片放置底層及關鍵信號底層走線的情況;對于方案三的層疊模式主要應用于接插件為主的PCB板，將信號層至于地平面層和電源層之中起屏蔽作用，通常還可將電源布線在信號層中實現，而將電源層改為地平面層進而形成屏蔽腔體，即可提高PCB板的抗干擾同時信號線減少輻射。

六層PCB板分層設計主要有表2中的四種

對于六層板的分層設計通常是將電源和地平面分配在內層可以很好的抑制PCB板上固有的共模輻射。在六層板分層時優先考慮方案三，這種層疊方案由于有兩個地平面層且信號層和電源層均可與地平面層緊鄰，可有效的減少電源平面的阻抗。對于方案一，SINGAL1和SINGAL2層緊鄰地平面層有具有最小的環路面積，而SINGAL3和SINGAL4層由于緊鄰的是電源層，可利用電源層作為參考平面，但是電源層與地平面相距較遠，分布電容小，自身解耦效果較差，電源層需要經過SINGAL3層和SINGAL2層才到達地平面層產生了較高的電源平面阻抗。方案三雖保證了電源和地平面層相鄰，減少了電源阻抗，但是所有的信號走線均裸露在外層，平常設計不建議使用，若在埋盲孔設計時，可優先使用該方案。方案四雖然犧牲了一層信號層多了一層地平面層，但是使SINGAL2層成為極佳的布線層用于時鐘和高速信號線，因此適用于只有少數或局部對信號要求高的場合。

2.PCB板的電源與接地設計

在PCB板設計過程中，電源平面均需要緊靠地平面，若電源和接地設計不合理就會很容易產生干擾使PCB電磁兼容能力降低。一般電源回路中瞬態變化的電流會產生很強的輻射，因此需要在電源的入口處進行濾波處理，通常是并接大的電解和陶瓷貼片去耦電容分別濾除低頻和高頻噪聲，以減少供電系統中的特性阻抗。在PCB板上所有元器件均需要電源進行供電，為抑制元器件產生的高頻諧波干擾，元器件的電源引腳都需就近放置一個陶瓷貼片去耦電容。另外由于不同元器件的電源電壓不同，需要避免這些不同電壓電源的回流環路相互重疊?？梢愿鶕底趾湍M電路的進行分離，將各自的電源和地平面分開避免相互干擾，因為數字信號的地平面上帶有豐富的高頻諧波分量，當模擬和數字電路回流路徑重疊時，數字電路的諧波會通過耦合方式經地平面對模擬電路產生干擾。

設備電源輸入接地是為了防止漏電對人體產生危險，同時為靜電和浪涌電流提供泄放路徑，而PCB板接地是為了給電路配置一個參考電平及提供給信號一個低阻抗回路，以保證電路板穩定工作，通常PCB板中地線盡可能的加粗，至少能夠保證能夠通過三倍的PCB板允許電流。設計時對交流電源地和直流電壓地需分開，而對模擬信號地和數字信號地通常連接公共地線時盡量使用磁珠連接。

常見的接地設計分為三類：單點接地，多點接地，混合接地。單點接地的優點是避免了地線上電位差所產生的電磁兼容問題，單點接地又有串聯和并聯單點接地兩種方式，串聯單點接地的缺點是存在公共阻抗耦合的風險，而并聯單點接地缺點是需要設置多條地線。高速的PCB板需要地線阻抗越低，因此接地線越短越好，此時使用多點接地方式可以有效降低地線上的電感?；旌辖拥剡m用于不同頻率信號需要有不同接地結構的情況，通常利用電容或者電感這類在不同頻率下有不同阻抗特性的器件進行接地構成混合接地的系統。

3.PCB板的布線設計

隨著電路板的越來越復雜，布線密度越來越大，對線路布線的要求越高，若忽略布線設計將會產生大量信號輻射形成干擾導致出現電磁兼容問題，因此良好的布線是決定PCB板電磁兼容設計成功的關鍵。

設計PCB板的布線時，優先布線高頻時鐘信或是易受干擾的信號線，其次是高速信號線，最后是一般的信號線，同時信號線布線不要形成環路，若無法避免時盡量減少環路的面積。另外PCB板上信號線的輻射強度與信號布線的長度成正比，布線是最好采用直線，需要轉折是可用45°拐角或者圓弧形布線，可以減少高頻信號間的輻射和耦合。在布線空間允許情況下，盡可能增大平行的信號線的間距，同時減少布線的平行長度，因為距離較近信號線的平行布線后容易引入串擾，必要時需在信號線間插入一條地線進行隔離減少串擾。不同布線層布線時進行相互垂直布線，減少線間電磁場耦合干擾。PCB板上布線還應遵循3W原則，即保證信號線間的中心間距大于三倍線寬;同時還要3H原則，即地平面層的邊緣要比電源層和信號層的邊緣多延伸出20倍層高度。

總結

本文對PCB板的分層、、電源與接地、布線設計等提出了電磁兼容性設計遵循的準則。方便設計人員在產品設計開始時對 PCB 板中的電磁兼容問題進行預測分析和有效地解決問題，以降低PCB板上的電磁輻射和提高產品的抗干擾能力。

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作者簡介：

黃運歡（1987-），男，廣西桂林人，硬件工程師，主要從事硬件電路開發與研究

（作者單位：廣州勵豐文化科技股份有限公司）