PCB板的電磁兼容設計實踐

李明英 陳天賜

摘要：電磁兼容的設計是復雜的，在一些人看來也有某些神秘的色彩。由于一個產品組成的元器件很多，電氣結構復雜，電磁場分布情況非常復雜，以致無法用數學模型計算。但這并不意味著電磁兼容設計就可以脫離電磁發射的基本理論，產生這種情況的根本原因還在于基本原理沒有很好地掌握或者缺乏工程設計的能力。基于此，本文就PCB板的電磁兼容設計實踐展開探討。

關鍵詞：PCB板；電磁兼容；設計；實踐；

幾乎我們能見到的電子設備都離不開PCB，只要有集成電路等電子元器件，它們之間電氣互連就要用到PCB。因此，隨著電子芯片技術的發展和電路集成度的提高，PCB板上的元器件密度越來越高，系統工作速度越來越快。使得PCB板設計中電磁兼容性設計尤為重要，關系到電路能否獲得最佳性能，正常穩定的工作。因此，本文探討PCB板的電磁兼容設計實踐具有重要意義。

一、PCB板電磁兼容的概念與意義

1.電磁兼容的概念

電磁兼容（EMC）指設備或系統在其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騷擾的能力。

形成EMI必備的三個部分：電磁干擾源，耦合路徑和敏感部件。能使共享同一環境的其它設備或系統性能降低或失效的電磁危害，即稱為電磁騷擾源；敏感部件便是指當受到電磁騷擾源所發射的電磁量的作用時會性能降低或失效的器件或系統。傳輸電磁騷擾的通路或媒介等便是耦合路徑。屏蔽干擾源、切斷或抑制耦合路徑、提高敏感部件的可靠性，抗干擾是提高設備兼容度的最主要的內容。

2.電磁兼容的重要性

在產品研發出來后，發現不能通過電磁兼容測試而添加的諸如加屏蔽罩、磁珠等措施，往往是事倍功半。因此在一開始設計時就要結合電磁兼容思想，對設備的電磁兼容性程度進行先期分析。在印制板上采取技術措施，比在其他方面采取措施更具有可靠性、穩定性和經濟性。

二、 PCB板電磁兼容的問題分析

1.電源系統干擾

（1）由于系統電源供能源的同時，也將其寄生的干擾噪聲加到了供電電路上；（2）由于一些高速邏輯電路工作時的高速轉換，不可避免地在電源線上產生含高頻分量豐富的壓降并且產生干擾（輻射）；（3）由于溫度變化時的直流干擾，使系統中的一些對高頻噪聲特別敏感的電路，特別是模擬信號電路很容易受到來自電源的噪聲干擾。

2.地線的噪聲干擾

（1）地線存在阻抗，當電流流過地線時，會在地線上產生電壓。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2個或2個以上電路共用一段地線時，會形成公共阻抗耦合； （2）頻率高于一定值時，任何金屬導線都要看成是由電阻、電感構成的器件，結果可能造成各部分地線的不平衡，在地線之間出現電位差，引起電路的誤操作；如果引線長度適當，還會造成傳導和輻射。

3.信號傳輸線間的串擾

由于傳輸信號的高頻特性，各傳輸線路的特性阻抗的不同或與負載阻抗不匹配，所傳輸的信號在終端或臨界部位會發生反射，使傳輸信號發生或產生振蕩。另外，傳輸線的走向、寬度、線間的間距的不合理設計，還會造成線間的信號疊加和附加延時，這些都可能造成信號傳輸線之間的串擾。

三、 PCB板的電磁兼容設計

1.元器件的合理布置

在器件的選用上偏向電磁輻射小且抗干擾能力強。同時敏感器件應該遠離干擾源；隔離輸入和輸出口。還應該考慮要對PCB板上的器件進行分組，避免各組之間的元器件相互干擾。敏感元件要遠離變化的大電流，時鐘線，DCDC電路等。

2.布線

（1）電源線。根據印刷電路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環路電阻，使電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一致。同時，在多層PCB中采用電源層和地層，減少電源線到電源層或地層的線長，這樣有助于增強抗噪聲能力。在可能的條件下，使電源單獨為各功能單元供電。

（2）地線。接地線應盡量加粗，若接地線條很細，則接地電位會隨電流的變化而起伏，致使電子產品的定時信號電平不穩、抗噪聲性能降低，因此設計時應將接地線盡量加粗，使它能通過三倍于印制電路板的允許電流。

（3）信號線。元件布置中已經考慮了把不相容元件放在印制板上不同的位置，在信號線的布置上仍應該注意把它們隔離：不相容信號線應相互遠離，不要平行；分布在不同層上的信號線走向應互相垂直；高速信號線特別是時鐘線要盡可能的短，必要時可在高速信號線兩邊加隔離地線，隔離地線兩端應與地層相連接；因為輸入線與輸出線通常是不相容的；盡量減小信號環路的面積，這樣可以有效減小環路的差模電流輻射。

3.分層

PCB的合理分層不但可以降低系統的射頻發射，更可以提高系統的性能，最典型的就是保證信號的完整性。要滿足EMC的嚴格指標并且考慮制造成本，適當增加地平面是PCB的EMC設計最好的方法之一。電源層數由電源的種類、數量決定。對于單一電源供電的PCB，只需一個電源平面；對于多種電源，如需互不交錯，可考慮采取電源層分割；對于電源互相交錯的單板，需要多種電源供電且互相交錯，則必須考慮采用兩層或兩層以上的電源平面。信號層數的確定由單板的功能決定。從EMC的角度，需要考慮關鍵信號（如時鐘、復位信號等）的屏蔽或隔離來確定是否增加單板層數。

4.布局

印制電路板上各種單元的相互位置直接影響電路的電磁兼容性，因此要根據單元電路在使用中對電磁兼容性的敏感程度的不同進行分組，按組對電路板進行分割，讓同組元器件放在一起，這樣在空間上可以保證各組之間不產生相互干擾。

5.電路板的選用

電路板有單面、雙面及HDI（高密度互聯）板，低、中密度布線電路以及集成度較低的電路多用單面和雙面，集成度高的、密度高的多采用HDI。出于成本的考慮，會盡量較少pcb 板的層數。最有效的減小干擾的方法只有通過減小關鍵信號的回路面積了。

四、結語

總之，電子產品的電磁干擾及電磁輻射問題日益引起人們的關注。電磁環境對人類生存環境產生影響的同時，也對電工、電子產品的安全與可靠性產生影響和危害，電磁干擾導致電工、電子產品性能下降、無法工作甚至產品損壞的情況時有發生，因此控制產品的電磁輻射，讓電子設備的電磁兼容等綜合性能指標達到規定要求變得非常重要。

參考文獻：

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[2]向紅權，蘇先海，王瑛.PCB設計中的電磁兼容性[J].2016.

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（作者單位：寧波薩瑞通訊有限公司）