中心議題：
- 過(guò)高的工作頻率或不合理的布局布線是引起電磁干擾的主要原因
- 綜合分析PCB的抗干擾設(shè)計(jì)
解決方案：
- 注意整體布局5項(xiàng)原則
- 優(yōu)先選用集成電路元器件，元器件按一定的方式分組布置
- 在交流電源的進(jìn)線處安置濾波器，EMC設(shè)計(jì)關(guān)鍵是合理布局時(shí)鐘系統(tǒng)
- 設(shè)計(jì)輸入電壓保持電容，靜電防護(hù)設(shè)計(jì)考慮4方面因素
引言
電磁兼容（EMC）指的是一個(gè)產(chǎn)品和其他產(chǎn)品共存于特定的電磁環(huán)境中，而不會(huì)引起其他產(chǎn)品或者自身性能下降或損壞的能力[1]，即產(chǎn)品和其他產(chǎn)品能夠“和平共處”，彼此間的電磁干擾(EMI)不會(huì)影響產(chǎn)品的正常工作。
引起電磁干擾的原因是多方面的，主要可歸結(jié)為過(guò)高的工作頻率或不合理的布局布線。在高頻化趨勢(shì)不可避免的情況下,一個(gè)好的PCB設(shè)計(jì)，應(yīng)著重從元器件布局、時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)、電源設(shè)計(jì)、接地設(shè)計(jì)、靜電防護(hù)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行綜合考慮。
整體布局布線設(shè)計(jì)a.整體布局
整體布局是PCB設(shè)計(jì)的第一步，合理的布局不但可以增加PCB的視覺(jué)美感，還可以提高產(chǎn)品的電磁兼容水平，一般來(lái)說(shuō)，器件的整體布局應(yīng)遵循以下原則：
(1) 圍繞各功能電路的核心元件進(jìn)行布局，保證各元器件沿同一方向整齊、緊湊排列，易受干擾的元器件不能相鄰布置，以防止信號(hào)間耦合；
(2) 處理敏感信號(hào)的元件要遠(yuǎn)離電源、大功率器件等，并且不允許敏感信號(hào)線穿過(guò)大功率器件，熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件，溫度敏感元件宜置于溫度最低的區(qū)域；
(3) 加大具有高電位差元器件之間的距離，防止它們放電而引發(fā)短路,并可在無(wú)鉛時(shí)代減少CAF (Conductive Anodic Filament)發(fā)生的可能性。同時(shí)，高電壓元器件應(yīng)盡量布設(shè)在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方，并加以絕緣保護(hù)；
(4) 對(duì)于高頻電路，推薦采用菊花鏈布線或星形布線，并且高速數(shù)字信號(hào)應(yīng)布置在與地線相鄰的信號(hào)層,并且信號(hào)線盡可能短；
(5) 一個(gè)過(guò)孔會(huì)帶來(lái)約0.5pF的分布電容[2],因此,減少過(guò)孔數(shù)量可顯著提高運(yùn)行速度。
b.元器件的選擇和布置
相比于分立元件,集成電路元器件具有密封性好、焊點(diǎn)少、失效率低的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)優(yōu)先選用。同時(shí)，選用信號(hào)斜率較慢的器件，可降低信號(hào)所產(chǎn)生的高頻成分,充分使用貼片元器件能縮短連線長(zhǎng)度，降低阻抗,提高電磁兼容性。另外，應(yīng)優(yōu)先選用供應(yīng)渠道穩(wěn)定的元器件，以確保生產(chǎn)加工的連續(xù)進(jìn)行。
元器件布置時(shí)，首先按一定的方式分組，同組的放在一起，不相容的器件要分開(kāi)布置，以保證各元器件在空間上不相互干擾。另外，重量較大的元器件應(yīng)采用支架固定。
c.PCB的選取和分層
印制板大小應(yīng)適當(dāng)，太大，成本增加；太小，散熱困難，且相鄰線間易串?dāng)_。推薦的PCB形狀為長(zhǎng)寬比約3：2的矩形[3]。
在時(shí)鐘頻率超過(guò)5MHz或上升時(shí)間小于5ns的高頻電路[4]中，使用多層板能大幅降低PCB體積和減小電環(huán)路面積，從而有效降低電磁干擾。PCB分層時(shí)要確保信號(hào)線有相鄰?fù)暾挠诚窕亓髌矫?，同時(shí)，為方便電源解耦，電源層應(yīng)緊鄰地層且在地層下面。根據(jù)以上原則，對(duì)于四層板，推薦的分層方法為：信號(hào)層、地層、電源層、信號(hào)層。六層板推薦的分層方法是信號(hào)層、地層、信號(hào)層、電源層、地層、信號(hào)層。
d.整體布線
PCB布線總的原則是先布時(shí)鐘、敏感信號(hào)線，再布高速信號(hào)線，最后布一般的不重要信號(hào)線。
布線時(shí)，在總的原則前提下，還需考慮以下細(xì)節(jié)：
(1) 在多層板布線中，相鄰層之間最好采用“井”字形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；
(2) 減少導(dǎo)線彎折，避免導(dǎo)線寬度突變，為防止特性阻抗變化，信號(hào)線拐角處應(yīng)設(shè)計(jì)成弧形或用45度折線連接；
(3) PCB板最外層導(dǎo)線或元器件離印制板邊緣距離不小于2 mm，不但可防止特性阻抗變化，還有利于PCB裝夾；
(4) 對(duì)于必須鋪設(shè)大面積銅箔的器件，建議用柵格狀[5]，并且通過(guò)過(guò)孔與地層相連；
(5) 短而細(xì)的導(dǎo)線能有效抑制干擾，但太小的線寬會(huì)增加導(dǎo)線電阻，導(dǎo)線的最小寬度可視通過(guò)導(dǎo)線的最大電流而定，一般而言，對(duì)于厚度為0.05 mm，寬度為1mm 銅箔允許的電流負(fù)荷為1A。因此,1-1.5 mm的線寬完全可滿足要求，對(duì)于小功率數(shù)字集成電路，選用0.2-0.5 mm線寬即可。同一PCB中，地線、電源線寬應(yīng)大于信號(hào)線；
圖1抗干擾保護(hù)環(huán)
(6) 為減少輻射，利用靜電屏蔽原理[6]，對(duì)于敏感元件端頭可采用如圖（1）所示的抗干擾保護(hù)環(huán)，并對(duì)保護(hù)環(huán)采用單點(diǎn)接地設(shè)計(jì)，不接地的保護(hù)環(huán)是起不到屏蔽作用的。
傳輸線設(shè)計(jì)
端接匹配的好壞是傳輸線設(shè)計(jì)能否達(dá)到最佳性能的關(guān)鍵。只有當(dāng)電路終端負(fù)載等于特性阻抗時(shí)，傳輸?shù)男盘?hào)才會(huì)在遠(yuǎn)處被充分吸收，否則，部分信號(hào)將被反射回來(lái)，造成邏輯混亂或失真。
當(dāng)走線終端存在集總線型負(fù)載或單一元件時(shí)，選用串聯(lián)電阻源端匹配可以使阻尼振蕩和反射效應(yīng)達(dá)到最小。對(duì)于具有分布式負(fù)載的走線終端，選用并聯(lián)電阻終端匹配，可得到幾乎不失真的波形。并聯(lián)端接的缺點(diǎn)是消耗較多的功率，因此，對(duì)于電池供電的便攜式產(chǎn)品，應(yīng)避免使用并聯(lián)終端。
時(shí)鐘部分設(shè)計(jì)
合理布局時(shí)鐘系統(tǒng)是EMC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，不合理的時(shí)鐘布局會(huì)導(dǎo)致PCB板不能穩(wěn)定工作。
在設(shè)計(jì)時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)，時(shí)鐘晶體和相關(guān)電路應(yīng)與其他電路分開(kāi)并布置在PCB的中央位置，特別注意時(shí)鐘發(fā)生器的位置盡量不要靠近對(duì)外的連接器。必要時(shí)在時(shí)鐘晶體下鋪設(shè)地層，有利于散熱并可將振蕩器內(nèi)部產(chǎn)生的射頻電流泄放到地平面上。時(shí)鐘線和高速信號(hào)線盡量走內(nèi)層，并夾在兩個(gè)地平面層中間，以確保相鄰?fù)暾幕亓髀窂健?duì)于高頻時(shí)鐘布線，要求盡量減小傳輸線長(zhǎng)度，降低傳輸線效應(yīng)。
電源部分設(shè)計(jì)
不合理的電源布線會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲,引起產(chǎn)品性能下降。在電源入口處的電源線和地線之間跨接一個(gè)10-100μF的電容,可有效降低噪聲干擾。
a.電源去耦濾波設(shè)計(jì)
在每塊集成電路芯片電源兩端跨接一個(gè)0.01-0.1μF的去耦電容，能較大程度地減小噪聲，并能夠減少跨板間的浪涌電流。在能夠達(dá)到電流補(bǔ)償目的的情況下,去耦電容值越小越好,貼片電容引線電感小,應(yīng)優(yōu)先選用。
最有效的電源濾波方法是在交流電源的進(jìn)線處安置濾波器，為避免導(dǎo)線相互耦合或形成環(huán)路，濾波器的輸入輸出線應(yīng)分別從PCB板的兩邊引出，而且使引線盡可能短。
b.電源保護(hù)設(shè)計(jì)
電源保護(hù)設(shè)計(jì)包括過(guò)流保護(hù)、欠壓報(bào)警、緩啟動(dòng)、過(guò)壓保護(hù)等設(shè)計(jì)內(nèi)容。
PCB板的電源部分也可以通過(guò)保險(xiǎn)絲來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，但為了避免保險(xiǎn)絲熔斷過(guò)程中影響其他模塊，還應(yīng)該設(shè)計(jì)輸入電壓保持電容。為防止意外的瞬間過(guò)壓損壞器件，可以通過(guò)放電管、壓敏電阻等保護(hù)器件在配電線路與地電位之間建立一個(gè)等電位，以達(dá)到過(guò)壓保護(hù)的目的。
接地設(shè)計(jì)
設(shè)備的接地方式主要有浮地、單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地三種。其中浮地容易產(chǎn)生靜電積累和靜電放電，應(yīng)慎重考慮。一般來(lái)講，當(dāng)電路工作在1MHz或更低頻率范圍時(shí)，單點(diǎn)接地是最好的選擇；當(dāng)電路處于10MHz以上的較高頻率時(shí)，電流返回路徑中的有限阻抗會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不希望有的射頻電流，應(yīng)盡量選用多點(diǎn)接地。對(duì)于既有數(shù)字電路又有模擬電路的PCB,要做好分地處理.
布置地線時(shí)，地線應(yīng)盡可能地粗，使它至少能通過(guò)三倍于PCB板的允許電流，以提高抗噪聲性能.
如果用大面積覆銅方式鋪設(shè)地線，應(yīng)盡量避免死銅現(xiàn)象，并將同一功能電路的覆銅用粗導(dǎo)線連在一起，以保證地線質(zhì)量，降低噪音。
由于帶狀電纜是非屏蔽性的，使用時(shí)最好信號(hào)線和地線一一對(duì)應(yīng)，保證每一根信號(hào)線都有一個(gè)單獨(dú)的接地回路，這樣公共阻抗的耦合將不存在，而且導(dǎo)線間的串?dāng)_也將減至最小。值得注意的是無(wú)論使用何種電纜，都要求將其屏蔽層接地。
靜電防護(hù)設(shè)計(jì)
靜電放電的特點(diǎn)是高電位、低電荷、大電流和短時(shí)間,對(duì)PC設(shè)計(jì)的靜電防護(hù)問(wèn)題可從以下幾方面進(jìn)行考慮:
(1) 盡量選擇抗靜電等級(jí)高的元器件,抗靜電能力差的敏感元件應(yīng)遠(yuǎn)離靜電放電源。試驗(yàn)證明,每千伏靜電電壓的擊穿距離約1mm，因此，若將元器件同靜電放電源保持16 mm距離，即可抵抗約16 kV的靜電電壓；
(2) 保證信號(hào)回流具有最短通路，有選擇性的加入濾波電容和去耦電容，提高信號(hào)線的靜電放電免疫能力；
(3) 采用保護(hù)器件如電壓瞬態(tài)抑制二極管，對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)；
(4) 相關(guān)人員在接觸PCB時(shí)務(wù)必帶上靜電手環(huán)，避免人體電荷移動(dòng)而導(dǎo)致靜電積累損傷。
信號(hào)完整性
信號(hào)完整性基本上是阻抗匹配的問(wèn)題。它包括串?dāng)_，衰減振蕩和反射等。其中以衰減振蕩最為明顯。衰減振蕩是由于明顯的阻抗不匹配而產(chǎn)生的, 附加串聯(lián)電阻或使用終端匹配的傳輸線，能極大的減小衰減振蕩。
串?dāng)_是互容和互感共同作用的結(jié)果，串?dāng)_的幅度與傳輸線間的平行長(zhǎng)度成正比。在高密度復(fù)雜PCB設(shè)計(jì)中，完全避免串?dāng)_是不可能的，布線時(shí)對(duì)于不可避免的平行部分，可以最大化平行走線的間隔或使走線最大可能的接近參考層，通過(guò)減少耦合來(lái)降低串?dāng)_。
結(jié)束語(yǔ)
電磁兼容(EMC)是一門綜合性的快速發(fā)展的學(xué)科,本文對(duì)EMC設(shè)計(jì)的探討只是概念性的。良好的PCB設(shè)計(jì)需要我們以EMC為原則,在設(shè)計(jì)初期就進(jìn)行全盤考慮,并在實(shí)踐中不斷的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。
