PCB电磁兼容性设计

PCB电磁兼容性设计

冯尚华

广东志高暖通设备股份有限公司

摘要：随着电子技术的飞速发展，PCB的密度越来越高，PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大。因此，在进行PCB设计时，必须遵守PCB设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。印刷电路板(PCB)的抗干扰能力是衡量PCB设计质量的重要指标之一，而采用电磁兼容性的设计方法可以极大地提高PCB的抗干扰能力。本文介绍了电磁兼容，简述了PCB干扰分类，分析了PCB电磁兼容性设计、具体措施及注意事项。

关键词：PCB；电磁抗干扰；电磁兼容性设计

引言

在电子产品高速发展的今天，各设备所处的电磁环境也变得极为复杂，产品通过电场、磁场相互干扰的问题也越发严重，因此不论是军用电子产品还是民用电子产品都对电磁兼容提出了更高的要求，多数产品已经不能仅靠机箱屏蔽等简单的方法通过专业的电磁兼容试验，满足电磁兼容性要求，这就需要加强PCB板的电磁兼容性设计来减小电子产品的干扰程度并提高质量。

一、电磁兼容

电磁兼容（ElectromagneticCompatibility），即缩写为EMC。由于电子和电气设备一般情况下都会在工作时产生电磁场而且还会受到来自外界的电磁场干扰，而电磁兼容就是关于这一方面而专门设计的，即能够使设备本身工作时产生较小的电磁场，而且还能使得外界磁场对设备的干扰程度降到最低，使得设备能够保持正常工作。

电磁兼容性(ElectromagneticCompatibility)简称为EMC。由于电气和电子设备会产生电磁场在工作也由外部电磁干扰、电磁兼容性是特别设计的一方面,可以使设备本身正在产生一个小的电磁场,但也使外部磁场干扰设备的程度降到最低,使设备保持正常工作。

二、PCB干扰分类

PCB干扰大体可分为三类：板层类干扰、布局类干扰、走线类干扰。板层干扰主要是层设置不合理产生的噪声干扰。布局干扰主要是

PCB板上元件位置放置不当形成的干扰。走线干扰主要是PCB信号线、地线、电源线的线宽、线距设置不当、PCB布线方式不良好等形成的干扰。

三、PCB的电磁兼容性设计

对电子设备PCB进行设计时一方面要减少电子频谱发射，另一方面要保护设备受到电磁干扰。形成干扰需要具备3个要素:耦合路径、接收器、干扰源,三要素缺一不可。

与具体的电路设计和电磁兼容性有着密切的关系，要进行电磁兼容设计，设计师需要对辐射(产品的射频能量泄漏)进行最小化，提高其对进入产品的辐射(能量)的敏感性和抗干扰能力。对于低频时常见的传导耦合和高频辐射耦合，必须充分重视耦合方式的设计。抗干扰设计的基本原则是:抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。

1）抑制干扰源

抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt（数字器件电压变化率），di/dt（数字器件电流变化率）。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。

2)切断干扰传播路径

(1)充分考虑电源对单片机的影响。电源运行良好，整个电路的抗干扰性得到了很大的解决。许多单片机对电源噪声很敏感。在单片机的电源中加入滤波电路或稳压器，减少功率噪声对单片机的干扰。

(2)注意晶体振荡器接线。晶体振荡器尽可能地接近单片机的引脚。时钟区域被地线隔离，晶体振荡器外壳被接地和固定。

(3)合理划分电路板，如强弱信号、数字和模拟信号。尽可能远离敏感元件(如微处理器)。

（4）用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则。

3)提高敏感器件的抗干扰性能

为了提高敏感器件的抗干扰性能，必须从敏感器件的角度出发，尽量减少干扰噪声的采集，尽快从异常情况中恢复。提高敏感器件抗干扰性能的常用措施:

(1)对于单片机的空闲I/O端口，不要挂起。它应该接地或与电源相连。其他集成电路空闲端子接地或连接，不改变系统逻辑。

(2)单片机功率监控电路的使用可以大大提高整个电路的抗干扰性能。

(3)在速度满足要求的前提下，尽可能降低单片机的晶体振动频率，选择低速数字电路。

(4)IC装置应尽量直接焊接到电路板上，IC座应尽量少使用。

四、PCB电磁兼容性设计中常用具体措施

4.1元器件的选用

首先是无源元件的选择，该环节也是影响兼容性的主要因素，由于不同元件有各自的特点，必须在适当的时候进行选择，以确保在电路中发挥应有的作用。考虑到电磁兼容性，无引脚器件的抗干扰效果更好。芯片的电容和电阻应低于其寄生参数，在高频时应优先考虑。在集成电路领域，只要有可能，就会使用低边缘速度设备来保证系统功能的完成。从包装的角度来看，首选的应该是选项卡式设备;安装位置较低，安装面积较小。电磁兼容面突出。例如，如果你可以选择选择无源晶振就决不选择有源晶振。在面对高频和峰值信号时，需要添加磁珠或共模电感等抑制装置。

4.2PCB布局

一个合理的电路布局是提高PCB电磁兼容性的基础，根据信号流向，通常按功能电路、工作频率、信号类型等对整个电路进行模块划分，保证整个布局的合理性，以达到整体布线路径短，各个模块不交错，减少模块间相互干扰的可能性。布局时应注意以下几点：

1.模拟电路、数字逻辑电路和接口电路尽可能分开布局；

2.把相互有关的器件尽量放得近些，这样可以获得较好的抗噪声效果；

3.易产生噪声的器件应尽量远离逻辑电路，如晶振；

4.晶振等辐射电路不应放置在PCB边缘；

5.A/D转换芯片模拟量管脚和数字量管脚尽可能跨区放置；

6.高频器件摆放的位置，不要太靠近对外的连接器；

7.在电源和芯片周围尽量放置去耦电容和滤波电容。

4.3PCB布线

PCB布线工作需要考虑对电磁兼容性的影响，并遵循相应的原则。这包括增加行距以减少耦合干扰。功率层与地线层平行，使两者之间的距离尽可能小。敏感的走线由需要与噪声源有足够的距离。拓宽地面和电线以减少它们之间的阻抗。就具体措施而言，物理方法可以用来区分不同类型的电路。特别是通过地线和电力线耦合。在直流供电电路中，负载变化会引起电源噪声，通过配置去耦电容或加入合适的磁珠来解决这一问题，这也是许多抗干扰设计中常见的做法。

除此之外也可以通过接地来克服电磁干扰。接地的作用在于使电阻最小化，从而降低电路电动势。单面板接线需要尽可能加粗。如果线条过细，整板电源系统容易被外界干扰源干扰，接地电位则会随着电流变化而急剧变化，从而会导致信号电平不稳或电平信号发生跳变。抗噪音性能就会减弱。多层面板设计通常是将电源面与接地面相

邻放置，并将此两层置于多层板中部。两层尽可能缩小距离，从而形成大的PCB电容，达到去耦效果目标。在确保线路性能要求下，原理图方向与布线方向二者尽可能一致，并依据一定的顺序走线，并且尽量直观、简单。模拟与数字信号线尽量不要交叉，尽量分割走线