试析PCB设计中的电磁兼容问题

试析PCB设计中的电磁兼容问题

王嵬

广州市泰粤科技股份有限公司 广东 广州 510000

摘要：在目前的环境下， EMC是影响电子装备（系统）综合性能的主要因素之一， EMC的合理解决对提高其综合性能起着举足轻重的作用。因此，本文从简单的 EMC入手，剖析了 PCB设计 EMC的一些关键问题，并探讨了 EMC设计中的一些常见问题和解决办法。期望通过本项目的研究，能够有效地解决 PCB的 EMC问题，提升国内 PCB的整体技术水平。

关键词：印刷电路板； EMC；

前言

印刷线路板（PCB）是一切电子器件不可或缺的承载部件，其设计品质与设计性能将对电子器件的可靠性与稳定性产生重要影响。所以，在印刷电路板上，需要有高品质的印刷电路板。而电磁兼容问题是现阶段电子设备研发过程中的一个核心问题，做好电磁兼容设计工作，增强电子设备的电磁兼容性是确保电子设备（系统）正常工作的关键。从这一点可以看出，在理解电磁兼容的前提下，对 PCB设计中的电磁兼容的设计要点以及常见的电磁兼容问题的处理办法进行深入探讨，这对提高 PCB的设计水平，保证其设计的品质与新时代的最新需求相一致，有着非常重要的影响和意义。

1 电磁兼容概述

按照 IEC （国际电气委员会）标准中的有关定义，电磁兼容（EMC）是指电子设备（系统）在所处电磁环境中能够正常、稳定的工作，而且自身工作不会对相同环境中的其他电子设备（系统）产生干扰。从以上的说明中，我们可以看到， EMS (Electromagnetic Insulator, EMS）和 EMI (Electromagnetic Insulator, EMI）这两个方面的内容。有关技术研究发现， EMC的发生有三个条件：（1）要在一定的空间中进行[1]。它没有明确的尺寸界限，从一张积木到一间屋子，到一整个世界；(2)干扰的发射器和干扰的感受器必须都有；(3)需要某些媒介通路（偶联通路），如：空间通路、公用阻抗通路、公用电网等，才能将干扰发送者与干扰接收者之间的共存有机地联合起来。

以上三种情况要想产生 EMI，三种情况都要具备，缺少任何一种情况都会使 EMI消失。因此， PCB的 EMC设计就有了明确的指导思想：在进行 EMC设计时，通过对“三要素”中哪个元素容易去除，从而提出有针对性的设计，从而达到减少甚至彻底去除 EMC，达到 EMC的目的。

2 PCB设计中电磁兼容设计的分析

2.1电路板的选取分析

PCB设计中，首先要做的就是选择合适的 PCB类型，通过选择合适的 PCB类型，为以后的 EMC设计打下坚实的基础。以线路板为例，一般可分为三种：单层，双层，多层。在进行 PCB设计的时候，设计人员必须综合考量成本承受能力、 PCB设计性能指标、特殊布线要求、信号密度、电路板电源、板级工作频率等方面的因素，才能对所用电路板的层数进行合理确定。在当前大量应用的高速印刷电路板中，多层或更多的多层结构被广泛地应用。其次，在 EMC层次上，降低核心电路（特别是供电电路）环的尺寸，是提高PCB电磁兼容性最直接、最有效的方法。在这个基础上，在决定了电路板的层数之后，设计者可以根据以上的方式，对多层板的供电层和接地层进行专门的设计，例如：尽量减少地线和信号线之间的距离，使得两者之间的距离与 PCB的层间距离相等。如此，可将板载讯号之环区域减至最少，以实现减少 PCB之差模式发射，并改善其电磁场之抗干扰性能。

另外，在印刷电路板的设计中，需要在其工作频率大于等于5 MHZ，或在其工作周期内，选择多层板。此外，为了提高 PCB的电磁兼容性，应该选择衬底材质具有高介电常数的多层板，并按照如下的原则来进行板层布局的设计：（1）单元下面应该是地平面，这样一方面可以为上层的布线提供一个参照，另一方面可以为设备提供一个屏蔽。(2)在尽量短的时间内，信号层必须与地面保持邻近[2]；(3)两个讯号层间的直接邻接应该尽量避开；(4)如果电力层及土层上都可直接铺设信号线，则在尽可能保持土层完整的前提下，将其优先铺设于电力层上；(5)必须确保所述主要电力供给端邻近于所述主要电力供给端的相应位置；(6)在正常情况下，四层板宜按"讯号层"、"地面"、"功率层"、"讯号层"顺序进行设计；六层板的排列顺序应按“信令-地层-信令-地层-功率-地层”顺序排列。

2.2元器件的布局分析

PCB上的器件的布局，也会直接影响到它的电磁兼容性，所以，在进行 PCB的电磁兼容性设计时，必须仔细地考虑板上器件的布局。

在频率层次上，单元布置应该按照“高、中、低”的次序进行；从逻辑速率角度来看，器件布置应该按照“高速率、中等速率、低速率”的次序来进行；从基片的电磁灵敏度角度出发，将基片按工作状态下的 EMC灵敏度划分为若干个基片，再将这些基片按区域划分，从而实现同一基片在设计时的集成，并在此基础上实现基片的协同工作，从而极大地提高 PCB的总体工作效率。当前，在 PCB的设计中，设计者经常将 PCB分为电源、射频和模拟等几个模块。

除了以上几个方面，在元件的版图设计中，还要注意下列几个方面的问题，这样才能有效地防止各种 EMC问题的出现：(1)版图设计中，电源、功率输出器等容易产生热量的元件，必须与主要的集成电路保持一定的距离，尽量将这些元件放置在 PCB的边沿或上部，这样才能更好地发挥它们的热量[3]。(2)对于灵敏单元，应该在与 CPU的时钟产生装置相分离的情况下进行版图设计。此外，为了使该单元具有更高的隔离性能，还可以在该单元周边的电力金属薄片上蚀刻成“马蹄状”形状；(3)在设计版图时，要把全部的连接部件都集中在 PCB的一面，以减少在 PCB工作时产生的公共模式电流的放射，避免从另一面抽出 I/O电缆；(4)如果导线的长度超过了噪音的二十倍，则会出现天线效果，从而造成更大的 EMI。为了防止以上问题的产生，在电路板组件的布置中，要尽量减少线缆的长度，并且要使线缆距离连接头越远越好。此外，还可以通过将 I/O驱动装置和插头设置在邻近的方法来减小 I/O讯号的走线间距，从而达到对干扰讯号的偶合；(5)在工作水平相差较大，或工作频率相近的情况下，为了避免工作时的互相影响，在设计结构时，应该加大各单元之间的距离。如振荡器和时钟发生器等工作噪声比较大的部件，可以将其集中安装在距离逻辑部件较远的位置；(6)在与 EMI相同的电路板上， EMI过滤器应该安装在与 EMI来源相邻处。

2.3电力布线与接地布线的设计

为了提高 PCB的 EMC性能，供电线路与地线的设计是 PCB设计中非常关键的一环。

在电力线路的设计上。可利用铁轨为双层平板提供电力。在进行设计时，要尽可能地将轨线竖直放置在地面上，并让轨线彼此靠近。在设计过程中，应尽可能减少 PCB电路的电路尺寸，并确保各电路之间没有交叉。如果是布线密度比较大的 PCB，那么以上的设计方法实施起来就比较困难了，这时可以采取添加一个小电源母线的设计方式来为 PCB进行供电。除了以上需求之外，还要采用专用的功率层、接地层为多层板提供电力，并采用有目的的设计方案，将 PCB的特征抗阻控制在1以下。

就接地的设计而言。在设计高速 PCB时，对地线的布置要注意如下几个方面：（1）尽量防止单一的接地，采取多点的接地方式，按照“就近原则”。该方法可使地面电阻降低，保证地线的长度在1/20波段以内；(2)应当分别提供数字接地和模拟接地；(3)用尽量粗的接地线宽度；(4)对于接地的讯号线，采取回路的方式，在多层的各讯号层中，需要在每一讯号层中设置一底层。

2.4对电容器的设计进行了探讨

在电容器的设计中，要从电容器的选取与解耦电容器的设置两个角度来进行。

在电容器的选用上：选用贴片型电容器。针对去耦合、旁路两种类型的电容器，通过与其相匹配的时钟速率，求得其固有共振频率，再结合电容器内的容抗量，得到相应的容量。另外，尽量选择引脚电阻较小的贴片电容器。在解耦电容器的结构上：每块 IC晶片需配1组0.01微米的陶瓷电容器。如 ROM、 RAM等器件，其电源波动大，抗噪声性能差，则需要在其电源与接地间加一个去耦合电容。电容器的导线不要太长，尤其要小心的是：在导线上不得设有高频率的旁路电容器。

3.印刷电路板的 EMC问题浅析

3.1 EMC中的讯号问题

PCB设计中，因其独特的电路结构，极易产生信号完整性不佳的问题，表现为：抗阻不匹配、时延现象、串音和地弹跳等，这些都会对 PCB的工作稳定性造成影响。对于印刷电路板上出现的信号不稳定性，其内在的原则是：

(1)内在的阻抗失配原则。在印刷电路板上，由于电源的阻抗与负载的阻抗和传输线的阻抗不一致，导致了电路的阻抗失配；如果输电线不连续，有短截，或在回流通路上发生了电容的改变，造成了局域电感等，也会造成阻抗失匹配；如果回流通道出现断续，将导致阻抗失配。这是造成印刷电路板讯号不稳的一个共同因素。阻抗失配会造成 PCB的减震，或是 PCB的反光，造成讯号振铃，导致原来稳定的讯号发生向下冲击，造成电压超调。针对上述问题，本文提出了针对 PCB印刷线路中电阻失配导致的信号失稳问题，提出了在 PCB印刷线路中进行最优调节的方法，并根据信号上行时间小于返回传输时间的延迟规则，采用 tr≤2 lP/t ppd的计算方法，其中， tr为信号上行时间， lp为 PCB上信号线的长度， t ppd为 PCB上信号线的长度所导致的延迟数据。由于振铃会导致 PCB中的电线误接触，所以需要在电路中对其进行适当的处理，例如：在电路中，在电路中对电路的最大时钟频率进行适当的调节，从而减少电路中的电流损耗。

(2)信令延迟的内在规律。所谓的“延迟”，就是在印刷电路板工作时，由于频率较高而造成的故障，是设计者必须加以重视的一种现象。根究时延的形成机制，即： tpd= treff× lp/c (c), c为光速， lp为信号长度， treff为等效相对导电系数。在现实操作中，相对电导率与传输线和它所处的周围的介质有一定关系，它是一种介于板相对电导率和空气相对电导率之间的一种现象。在大多数 PCB系统中，信号线的发射长度数值会对系统操作中的脉冲相位差产生影响，而脉冲相位差会降低信号通过导线到达目的地的预测性，如果相位差太大，就会导致终端信号错误。

(3)串声现象的内部机制。通常情况下，它可以被分成两类：一类是由电磁耦合产生的，另一类是由共同阻抗产生的。当多个信号共享同一回路时，由共同阻抗的耦合所导致的串声，通常在低频率下影响很大；电磁耦合，又分为电容耦合和电感耦合。这种耦合都会导致信号的传播波动，导致出现串音的现象。设计人员可以以串音的存在机理为依据，对 PCB的线路与电路展开优化设计，调整线路长度、控制线路间距，并对基地平面的参数与状态进行优化设计。

(4)地面反弹的内部机制。地弹跳通常是指在 PCB系统运行过程中，当某个集成电路进行切换的时候，因为地线、集成电路的接地引线具有电感，导致器件内部的电位暂时降低。此时，来自其他器件内的输出驱动信号是以外部系统为参照的，参考电位的不同导致会引起器件输入、输出电平的改变，进而引起信号稳定性的问题。

3.2 电磁兼容引起的干扰问题

EMC问题不但表现在 PCB的信号的稳定性上，还表现在 EMC的干扰上，例如：传导发射问题，辐射发射问题。从 EMC的观点来看， EMC中的 EMC辐射是由电源发出的能量，而 PCB中的 EMC辐射通常是非故意的。辐射发送的规格标准为30兆赫至1千兆赫；导电辐射的幅度为0.45~30兆赫。在某种意义上，滤波器在某种意义上是直接导电的，设计者可以利用滤波器来对出线的电路板进行处理，实现直接导电的直接导电。

如果 PCB是高频的，那么 PCB之上的印刷线就像单极天线一样，具有向外辐射能量的功能，例如：差模辐射、共膜辐射，前者是因为闭合环路总能电流引起的，其辐射强度与电流的大小、电流频率数据成正比，设计人员可以通过适当的控制电流与频率来解决问题。后者则是一种变相的寄生效应，例如：电源层的感应电流、地线层的感应电流等，其与单极天线相似，辐射的强度与线路内的电流大小与频率数据相关，但缺少方向敏感性，所以，可以通过控制电流的大小与频率的数据来改进。

4小结

因此，在印刷电路板的设计中，必须考虑 EMC的影响。通过以上一系列的研究，我们可以发现， PCB中的电磁兼容问题会对 PCB系统的工作性能产生影响，而电路板、元器件、电源线、电线与电容等都是对 PCB工作产生影响的主要因素。在未来印刷电路板的设计中，设计者必须掌握以上四个方面的设计，进行科学化的设计；也要强化对常见电磁兼容问题的重视，对电流与频率进行合理的调节，进而对信号稳定性、电磁干扰等问题进行改进，提高 PCB设计的整体水平。

参考文献

[1] 曾子雄,廖常浩,吴洪清.去耦电容在PCB电磁兼容设计中 的应用[J].安全与电磁兼容,2021(01):81-84.

[2] 刘圣晓.印制电路板设计的电磁兼容性分析[J].现代制造 技术与装备,2020,56(07):122-123.

[3] 冯波. 印制电路板的设计及电磁兼容问题 [J]. 电子制作, 2020(Z1):90-91.