- 基于電磁兼容技術(shù)PCB板的設(shè)計(jì)研究
- 采用新的設(shè)計(jì)手段
- 利用成熟的安裝工藝
1電磁兼容
電磁兼容（EMC）是一門(mén)綜合性學(xué)科，主要研究電磁干擾和抗干擾的問(wèn)題。電磁兼容性是指電子設(shè)備或系統(tǒng)在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下，不因電磁干擾而降低性能，同時(shí)它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于檢定的極限電平，不影響其它電子設(shè)備或系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并達(dá)到設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互不干擾、共同可靠地工作的要求。電磁兼容性 （EMC）包括兩個(gè)方面：產(chǎn)品的電磁輻射性和抗電磁干擾性口一個(gè)好的電子產(chǎn)品必須考慮電磁兼容問(wèn)題，既不能有電磁輻射干擾其他電子設(shè)備，又要有較低的電磁敏感度，能抵抗規(guī)定的電磁干擾。電磁干擾是電磁騷擾引起的后果，它會(huì)使電子設(shè)備、傳輸通道、系統(tǒng)和印刷板組裝件的性能下降。印刷板作為電子設(shè)備的基礎(chǔ)部件，使用中同樣存在電場(chǎng)和磁場(chǎng)，有電、磁場(chǎng)存在就有電磁兼容問(wèn)題，尤其是現(xiàn)代電子設(shè)備中大量采用數(shù)字電路、高速邏輯電路，信號(hào)的傳輸速度大大提高，這也增大了引起電磁輻射和受電磁干擾的因素，所以考慮電磁兼容問(wèn)題是印刷電路板設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。
2印刷電路板上抑制電磁干擾設(shè)計(jì)
由于PCB上的電子器件和線(xiàn)路的密集度不斷增加，而信號(hào)的頻率也不斷提高，不可避免地會(huì)引入E訛（電磁兼容）和陰I（電磁干擾）的問(wèn)題。
外部的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾對(duì)PCB上的電路基本無(wú)影響，實(shí)際上在設(shè)計(jì)中采取正確的措施常常能同時(shí)起到抗干擾和抑制發(fā)射的作用。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，首先要根據(jù)實(shí)際需要，選擇合適的印制板類(lèi)型（板材和板層），然后是確定元器件在板上的位置，再依次布局，設(shè)計(jì)地線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)。
2.1印刷電路板的選取
印刷電路板有單面、雙面和多層板之分。單面和雙面板一般用于低、中密度布線(xiàn)的電路和集成度較低的電路。多層板適用于高密度布線(xiàn)、高集成度芯片的高速數(shù)字電路。從電磁兼容的角度來(lái)說(shuō)，多層板可以減小線(xiàn)路板的電磁輻射并提高線(xiàn)路板的抗干擾能力。因?yàn)樵诙鄬影逯?，可以設(shè)置專(zhuān)門(mén)的電源層和地層，使信號(hào)線(xiàn)與地線(xiàn)之間的距離僅為線(xiàn)印刷電路板的層間距離。這樣板上所有信號(hào)的回路面積就可以降至最小，從而有效減小差模輻射。
2.2元器件的布局
設(shè)計(jì)印刷電路板不僅僅是簡(jiǎn)單地將各個(gè)元器件之間用印制導(dǎo)線(xiàn)連接起來(lái)，更重要的是應(yīng)當(dāng)考慮電路的特點(diǎn)和要求，正確的擺放元器件
l）按電路單元和相互有連接關(guān)系的元器件應(yīng)靠近布局。以減少元器件之間的走線(xiàn)和連線(xiàn)的長(zhǎng)度，減低輻射和干擾。
2）按電路工作頻率或器件的開(kāi)關(guān)速度的相對(duì)高低分區(qū)布局，從I/0端向板的遠(yuǎn)端電路工作頻率依次降低分布，在較高頻率區(qū)內(nèi)，高速震蕩器件不應(yīng)靠近工/0端。
3）容易產(chǎn)生電磁輻射的元器件（如：時(shí)鐘、震蕩器等），遠(yuǎn)離電磁敏感器件或走線(xiàn)，必要時(shí)采取電磁屏蔽措施。
2.3信號(hào)線(xiàn)的布局
信號(hào)線(xiàn)的布置最好根據(jù)信號(hào)的流向順序安排，使電路板上的信號(hào)走向流暢。不相容的信號(hào)線(xiàn)應(yīng)相互遠(yuǎn)離，不要平行走線(xiàn)。同一層上的信號(hào)線(xiàn)保持一定間距，最好以相應(yīng)地線(xiàn)回路隔離，減少線(xiàn)間信號(hào)串?dāng)_。分布在不同層上的信號(hào)線(xiàn)走向應(yīng)相互垂直，這樣可以減少線(xiàn)間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)禍合干擾。高速信號(hào)的回路面積盡可能小，以免發(fā)生輻射干擾。
1）高速信號(hào)線(xiàn)盡可能放在同一層，不要換層：2）使信號(hào)線(xiàn)平滑過(guò)度，避免由于線(xiàn)寬突變引起信號(hào)反射：3）印制線(xiàn)不要一部分緊鄰地線(xiàn)走，一部分不緊鄰造成阻抗突變;4）信號(hào)線(xiàn)不要離印制板邊緣太近，否則會(huì)引起特征阻抗變化，而且容易產(chǎn)生邊緣場(chǎng)，增加向外的輻射：5）對(duì)于導(dǎo)線(xiàn)特性阻抗要求嚴(yán)格的信號(hào)線(xiàn)，應(yīng)采用帶狀線(xiàn)或微帶線(xiàn)的布線(xiàn)形式，有利于導(dǎo)線(xiàn)寬度、厚度和絕緣層厚度調(diào)整特性阻抗;6）當(dāng)電路的工作頻率超過(guò)SMHz或器件的邊沿?cái)?shù)率超過(guò)sns時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用多層板，有利于降低電磁干擾;7）高速信號(hào)傳輸線(xiàn)路中過(guò)孔盡量少，并且孔徑小，有利于降低孔的寄生電容，通常采用小孔徑的過(guò)孔、埋孔或盲孔。
2.4地線(xiàn)布局
1）將數(shù)字電路與模擬電路分開(kāi)。電路板上既有高速邏輯電路，又有線(xiàn)性電路，應(yīng)使它們盡量分開(kāi)，兩者的地線(xiàn)不要相混，分別與電源端地線(xiàn)相連。要盡量加大線(xiàn)性電路的接地面積。
2）正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。在低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1陽(yáng)z，它的布線(xiàn)和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線(xiàn)阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線(xiàn)阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。
3）盡量加粗接地線(xiàn)。若接地線(xiàn)很細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應(yīng)將接地線(xiàn)盡量加粗，使它能通過(guò)三倍于印制電路板的允許電流。
4）地線(xiàn)上的隔離孔不應(yīng)距離太近，隔離孔的絕緣環(huán)不能過(guò)大，以免形成無(wú)意的溝槽，影響上一層信號(hào)線(xiàn)的阻抗。
5）接地線(xiàn)構(gòu)成閉環(huán)路。設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印刷電路板的地線(xiàn)系統(tǒng)時(shí)，將接地線(xiàn)做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。
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1電磁兼容
電磁兼容（EMC）是一門(mén)綜合性學(xué)科，主要研究電磁干擾和抗干擾的問(wèn)題。電磁兼容性是指電子設(shè)備或系統(tǒng)在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下，不因電磁干擾而降低性能，同時(shí)它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于檢定的極限電平，不影響其它電子設(shè)備或系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并達(dá)到設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互不干擾、共同可靠地工作的要求。電磁兼容性 （EMC）包括兩個(gè)方面：產(chǎn)品的電磁輻射性和抗電磁干擾性口一個(gè)好的電子產(chǎn)品必須考慮電磁兼容問(wèn)題，既不能有電磁輻射干擾其他電子設(shè)備，又要有較低的電磁敏感度，能抵抗規(guī)定的電磁干擾。電磁干擾是電磁騷擾引起的后果，它會(huì)使電子設(shè)備、傳輸通道、系統(tǒng)和印刷板組裝件的性能下降。印刷板作為電子設(shè)備的基礎(chǔ)部件，使用中同樣存在電場(chǎng)和磁場(chǎng)，有電、磁場(chǎng)存在就有電磁兼容問(wèn)題，尤其是現(xiàn)代電子設(shè)備中大量采用數(shù)字電路、高速邏輯電路，信號(hào)的傳輸速度大大提高，這也增大了引起電磁輻射和受電磁干擾的因素，所以考慮電磁兼容問(wèn)題是印刷電路板設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。
2印刷電路板上抑制電磁干擾設(shè)計(jì)
由于PCB上的電子器件和線(xiàn)路的密集度不斷增加，而信號(hào)的頻率也不斷提高，不可避免地會(huì)引入E訛（電磁兼容）和陰I（電磁干擾）的問(wèn)題。
外部的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾對(duì)PCB上的電路基本無(wú)影響，實(shí)際上在設(shè)計(jì)中采取正確的措施常常能同時(shí)起到抗干擾和抑制發(fā)射的作用。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，首先要根據(jù)實(shí)際需要，選擇合適的印制板類(lèi)型（板材和板層），然后是確定元器件在板上的位置，再依次布局，設(shè)計(jì)地線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)。
2.1印刷電路板的選取
印刷電路板有單面、雙面和多層板之分。單面和雙面板一般用于低、中密度布線(xiàn)的電路和集成度較低的電路。多層板適用于高密度布線(xiàn)、高集成度芯片的高速數(shù)字電路。從電磁兼容的角度來(lái)說(shuō)，多層板可以減小線(xiàn)路板的電磁輻射并提高線(xiàn)路板的抗干擾能力。因?yàn)樵诙鄬影逯?，可以設(shè)置專(zhuān)門(mén)的電源層和地層，使信號(hào)線(xiàn)與地線(xiàn)之間的距離僅為線(xiàn)印刷電路板的層間距離。這樣板上所有信號(hào)的回路面積就可以降至最小，從而有效減小差模輻射。
2.2元器件的布局
設(shè)計(jì)印刷電路板不僅僅是簡(jiǎn)單地將各個(gè)元器件之間用印制導(dǎo)線(xiàn)連接起來(lái)，更重要的是應(yīng)當(dāng)考慮電路的特點(diǎn)和要求，正確的擺放元器件
l）按電路單元和相互有連接關(guān)系的元器件應(yīng)靠近布局。以減少元器件之間的走線(xiàn)和連線(xiàn)的長(zhǎng)度，減低輻射和干擾。
2）按電路工作頻率或器件的開(kāi)關(guān)速度的相對(duì)高低分區(qū)布局，從I/0端向板的遠(yuǎn)端電路工作頻率依次降低分布，在較高頻率區(qū)內(nèi)，高速震蕩器件不應(yīng)靠近工/0端。
3）容易產(chǎn)生電磁輻射的元器件（如：時(shí)鐘、震蕩器等），遠(yuǎn)離電磁敏感器件或走線(xiàn)，必要時(shí)采取電磁屏蔽措施。
2.3信號(hào)線(xiàn)的布局
信號(hào)線(xiàn)的布置最好根據(jù)信號(hào)的流向順序安排，使電路板上的信號(hào)走向流暢。不相容的信號(hào)線(xiàn)應(yīng)相互遠(yuǎn)離，不要平行走線(xiàn)。同一層上的信號(hào)線(xiàn)保持一定間距，最好以相應(yīng)地線(xiàn)路隔離，減少線(xiàn)間信號(hào)串?dāng)_。分布在不同層上的信號(hào)線(xiàn)走向應(yīng)相互垂直，這樣可以減少線(xiàn)間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)禍合干擾。高速信號(hào)的回路面積盡可能小，以免發(fā)生輻射干擾。
1）高速信號(hào)線(xiàn)盡可能放在同一層，不要換層：2）使信號(hào)線(xiàn)平滑過(guò)度，避免由于線(xiàn)寬突變引起信號(hào)反射：3）印制線(xiàn)不要一部分緊鄰地線(xiàn)走，一部分不緊鄰造成阻抗突變;4）信號(hào)線(xiàn)不要離印制板邊緣太近，否則會(huì)引起特征阻抗變化，而且容易產(chǎn)生邊緣場(chǎng)，增加向外的輻射：5）對(duì)于導(dǎo)線(xiàn)特性阻抗要求嚴(yán)格的信號(hào)線(xiàn)，應(yīng)采用帶狀線(xiàn)或微帶線(xiàn)的布線(xiàn)形式，有利于導(dǎo)線(xiàn)寬度、厚度和絕緣層厚度調(diào)整特性阻抗;6）當(dāng)電路的工作頻率超過(guò)SMHz或器件的邊沿?cái)?shù)率超過(guò)sns時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用多層板，有利于降低電磁干擾;7）高速信號(hào)傳輸線(xiàn)路中過(guò)孔盡量少，并且孔徑小，有利于降低孔的寄生電容，通常采用小孔徑的過(guò)孔、埋孔或盲孔。
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2.4地線(xiàn)布局
1）將數(shù)字電路與模擬電路分開(kāi)。電路板上既有高速邏輯電路，又有線(xiàn)性電路，應(yīng)使它們盡量分開(kāi)，兩者的地線(xiàn)不要相混，分別與電源端地線(xiàn)相連。要盡量加大線(xiàn)性電路的接地面積。
2）正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。在低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1陽(yáng)z，它的布線(xiàn)和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線(xiàn)阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線(xiàn)阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。
3）盡量加粗接地線(xiàn)。若接地線(xiàn)很細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應(yīng)將接地線(xiàn)盡量加粗，使它能通過(guò)三倍于印制電路板的允許電流。
4）地線(xiàn)上的隔離孔不應(yīng)距離太近，隔離孔的絕緣環(huán)不能過(guò)大，以免形成無(wú)意的溝槽，影響上一層信號(hào)線(xiàn)的阻抗。
5）接地線(xiàn)構(gòu)成閉環(huán)路。設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印刷電路板的地線(xiàn)系統(tǒng)時(shí)，將接地線(xiàn)做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。
2.5印刷導(dǎo)線(xiàn)的寬度
導(dǎo)線(xiàn)寬度應(yīng)以滿(mǎn)足電氣性能而又便于生產(chǎn)為宜，它的最小值以承受的電流而定，但最小不宜小于0.Zmln，在高密度、高精度的印刷線(xiàn)路中，導(dǎo)線(xiàn)寬度和間距一般可取0.3nnn;導(dǎo)線(xiàn)寬度在大電流情況下還應(yīng)考慮到其溫升，單面板試驗(yàn)表明，當(dāng)銅箔厚度為SOum、導(dǎo)線(xiàn)寬度1一1.smm、通過(guò)電流為2A時(shí)，溫升很小。
在DIP封裝的走線(xiàn)間，當(dāng)兩腳間通過(guò)2根線(xiàn)時(shí)，焊盤(pán)直徑可設(shè)為50mil，線(xiàn)寬與線(xiàn)距都為10耐l;當(dāng)兩腳間只通過(guò)1根導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，焊盤(pán)直徑可設(shè)為64011，線(xiàn)寬與直徑都為12mil。
3軟件抗干擾措施
采用看門(mén)狗電路防止由于外界干擾硬件故障及程序出錯(cuò)致使系統(tǒng)停機(jī)中斷或程序進(jìn)入死循環(huán);采用軟件濾波方法剔除高頻脈沖干擾。
4小結(jié)
印制電路板中的電磁兼容問(wèn)題很復(fù)雜，要針對(duì)具體問(wèn)題采取相應(yīng)的措施。設(shè)計(jì)中善于采用新的設(shè)計(jì)手段，吸取先進(jìn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，利用成熟的安裝工藝，有效的減少電磁干擾。隨著PCB工藝的不斷提高和電磁兼容學(xué)的深入發(fā)展，其電子產(chǎn)品的電磁兼容性能也將會(huì)有顯著的提高。
