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1、印制电路板的电磁兼容性设计TheEMCDesignofPrintedCircuitBoard王艳春祖静崔春生（中北大学电子测试技术国家重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051）摘 要:在电子设备的设计中,PCB设计作为电子设备设计中的关键性基础设计步骤，尤其在 高速电子电路设备的设计中,PCB的电磁兼容性设计可谓是关键中的关键，它的电磁兼容性的 优劣直接影响着电子设备的性能。本文在深入探讨PCB产生电磁干扰的原因和掌握电磁兼 容原理的基础上，针对产生电磁干扰的类型采取相应的措施,给出了 PCB电磁兼容性设计的 几种典型方法，重点阐述了 PCB高速布局、布线等的原则,
2、完成了信号完整性的设计,具有普 遍的实用参考价值。关键词:PCB;电磁干扰;电磁兼容1引言随着当今世界电子技术的飞速发展，对电子产品的电磁兼容性发出了挑战。一个性能好的电 子产品必须考虑电磁兼容问题,既不能有电磁辐射干扰其他电子设备的正常工作，又要具备较 低的敏感度，能抵抗规定的电磁干扰。电磁干扰会使电子设备、传输通道、系统和PCB组装 件的性能下降。PCB作为电子元器件的载体,同样存在着电磁兼容问题,尤其是现代电子设备 中大量采用数字电路、高速逻辑电路、信号的传输速度大大提高，这也增大了引起了电磁辐 射和受电磁干扰的因素，所以PCB的电磁兼容性问题已经成为迫在眉睫的需要解决的问题。 2电磁兼
3、容电磁兼容即EMC（ElectromagneticCompatibility）是研究在有限的空间，时间和频谱资源等条件 下,各种用电设备（广义的还包括生物体）可以并存,并不致引起降级的一门学科。所谓电子设 备的电磁兼容性,是指电子设备在预定的电磁环境中，能按一定的设计要求正常工作的性能或 能力。3引起PCB电磁干扰的原因在PCB上有许多情况可以引起EMI,这是因为元件在特定情况下都有隐藏特性。比如在高频 段里，导线相当于一个电感和电阻的串联;一个电阻器相当于一个电感串联上一个电阻与电容 的并联结构;一个电容相当于一个电感，电阻和电容器的串联;一个电感相当于一个电阻串上 一个电感与电容的并联结构
4、。如图1所示。认识到元件的高频寄生特性，并在PCB设计阶段 采取措施解决此类电磁兼容问题非常重要。在高速数字电路中,PCB上的走线较长时，可能会出现天线效应。PCB上元器件的引线和走线 一样，也具有寄生电容和电感，这些寄生电容和电感影响着导线的阻抗并且对频率敏感。根据走线长度和寄生电容的值,可能会产生一个电磁干扰发射天线。根 据工程经验，实际应用中走线要求小于特定波长的1/20，避免形成无意的发射源。图1元件的高频寄生特性在纯数字电路中,电阻的主要作用是限流和控制电平。在高频电路的设计当中,寄生电容的存 在对设计会产生很大的破坏。数字电路中的电容器的作用是电源总线去耦，旁路和储能作用。当电路超
5、过电容的自谐振频 率时，会出现电感特性。这种电感特性将使得电容失去本来的设计性能。在PCB中,电感用于对电磁干扰的控制。电感的阻抗随着频率的增加而线性增加，当频率很高 时，高频信号的传递就会受到一定的影响。4 PCB抗干扰措施在设计PCB之前一定要尽可能多的了解设计信息，这些设计信息包括:PCB上布置的器件的 数量，器件的封装，有无大功率器件，芯片散热的特殊性要求，整体布局，器件布局，信号线的种 类,PCB是否分区,即低速，高速，中速区，电源和地的种类,对电源和地的噪声容限的要王艳春等:印制电路板的电磁兼容性设计47求，时钟线的种类和速率、时钟线的来源和去向、时钟的延时和最长走线要求等。4 1
6、 PCB 分层印制电路板有单层，双层及多层之分。单双面板一般用于低中密度布线的电路和集成度较低 的电路。多层板适用于高密度布线、高集成度芯片的高速数字电路。从抑制电磁干扰的角度 分析,多层板可以减小线路板的电磁辐射并提咼线路板的抗干扰能力。因此在咼速数字电路 中，一般选多层PCB。多层PCB设计中一般需要采用20H和2W原则来确定印制线条间距和 边距。20H原则:因为具有一定电压和较咼频率的印制板边缘场会向空间辐射电磁能量为减 小这个效应,某一层的信号线印制板的物理尺寸应该比最靠近的接地板的物理尺寸小至少 20H,其中H是2个印制板的层间距。根据这个原则，对于一般的多层PCB来说,20H 般为
7、 3mm右。2W原则:当2条印制线间距比较小时，两线之间会发生电磁串扰串扰会使有关电路 功能失常。为避免发生这种干扰,应保持任何线条间距不小于一倍的印制线条宽度，即不小于 2W,W为印制线路的宽度。印制线条的宽度则取决于线条阻抗的要求，太宽会减少布线的密度, 增加成本;太窄会影响传输到终端的信号的波形和强度。4 2 PCB的布局PCB的电磁兼容设计的关键在布局布线。在布局之前，必须确定尽量低的成本下满足设计的 功能。若PCB尺寸过大，布局时器件分布分散,则传输线可能会很长，就会造成阻抗增加，抗噪 声能力下降，成本也会相应增加。但若一味减小PCB尺寸，将器件集中放置，则会造成散热性 不好,邻近走
8、线容易产生耦合串扰。所以必须根据电路功能单元进行布局,同时兼顾电磁兼容, 散热和接口因素。根据实际经验PCB布局时应遵守一下原则：(1) 以每个功能单元的核心器件为中心，其它元件围绕它进行布局；(2) 尽量缩小高频器件的连线；(3) 对于电源线、高频信号线和一般走线之间要防止相互耦合；(4) 敏感器件布局时不能靠的太近，输入输出元件要远离。4 3 PCB布线(1) 电源线设计电源线布置应与地线布置结合起来考虑，以便构成特性阻抗尽可能小的供电电路。为减小供 电电路的特性阻抗,电源线和地线应该尽可能粗，并且相互靠近,供电环路面积应该减小到最 低程度，不同电源的供电环路不要互相重叠。根据PCB电流的
9、大小,尽量加粗电源线宽度，减 少环路电阻。(2) 地线设计PCB上电源线和地线最重要,克服电磁干扰，最主要的手段就是接地。所谓模拟地、数字地和 大功率器件地分开,是指布线分开，但是最终都要汇集到一个点上。对于高频和数字信号，屏蔽 电缆两端都应接地。地线设计的原则是：正确选择单点接地与多点接地；接地线应尽量加粗。若接地线很细,则接地电位随电流的变化而变化,导致电子设备的定时 信号电平不稳定，抗噪性能降低。数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使他们尽量分开，分别与 电源端地线相连,并尽可能加大线性电路的接地面积。高频电路宜采用多点接地地线应短而 粗,高频元件周围尽量用栅格状大
10、面积地箔；将接地线构成闭环路。设计只由数字电路组成的PCB时，将地线系统做成闭环路可以明显 提咼噪声能力。(3)高速信号线设计在PCB的设计中，高速信号线的设计应仔细考虑网络的拓扑结构和信号走线的长度,尽量避 免由于互联线延时而引起信号完整性问题。4 4过孔的设计多层PCB上的过孔本身存在寄生电容和寄生电感。过孔的寄生电容会延长信号的上升时间 降低电路的速度;过孔的寄生电感会削弱旁路电容的作甩削弱整个电源系统的滤波效果。在 高速数字电路系统中，过孔的寄生电感一般较寄生电容带来的危害更大。下面给出过孔的寄 生电容和寄生电感供参考，可以分别近似为：C=1141 rTDl/(D2-Dl)L=5108
11、=hln(4h/d)+l)式中：r是板基材的介电常数;T是PCB的厚度;D1是过孔焊盘的直径;D2是过孔在铺地 层上的隔离孔的直径;h是过孔的长度;d是中心钻孔的直径。5结束语电磁兼容性问题在电子产品的性能中起着至关重要的作用，而作为电子产品载体的PCB,研究 其电磁兼容有着重要的意义，电磁兼容性好的电子产品其性能自然无懈可击，这也是我们设计 电子产品的最终目标。PCB是构成电子设备的基础，保证PCB的电磁兼容性是整个系统设计 的关键，合理正确的PCB的布线和设计应该使得:板上的各部分电路相互间无干扰，都能正常 工作;PCB对外的传导发射和辐射发射尽可能降低,达到有关标准要求;外部传导干扰和辐
12、射 干扰对PCB上的电路基本无影响。(下转第50页)48计量与测试技术2011年第38卷第1期化碳和二氧化碳等成分的效果较好，尤其是氢和二氧化碳的比加热时纯化得更好;但对杂质氮 和甲烷，由于催化剂未活化，纯化效果不明显。NameRetTime(min)Height(mv)Area(mvs)%TotalAreaConcUnits1H21 001 132 4760 160 0 7ppm2AR/O21 510 481 6439 840 01ppm3CH40 000 000 000 000 00ppm4CO0 000 000 000 000 00ppm5CO20 000 000 000 000 00p
13、pm6N20 000 000 000 000 00 ppm图2样品接纯化器加热后的谱图2 3重复性试验用以上气体标物，经纯化器纯化后进样，对杂质氧(氩)峰进行观察。经纯化的氧的含量在 15 10-9左右，空气中纯在的大量氧气对检验有一定的影响，反复吹洗后，数据逐渐平行了，取 连续6次的检验结果，计算保留时间和测量峰面积的相对标准偏差。表2重复性检测数据次数123456相对标准偏差保留时间(s)1 511 511 501 501 511 500 36%测量值(10-9)15 314 314 714 115 114 53 2%由表可见，经纯化后的气体，杂质含量虽然很低(10-9)，但较好的表现了一
14、致性，说明纯化器的效果是可靠的。3讨论3 1接头及管路的影响原来按照超纯气要求，配置的1/4VCR接头。焊接工艺可能没控制得太好，口径大了，出现了微 量的渗透。使用闭压检查，都没查出问题来。后来换成工艺较成熟的1/8VCR接头，则解决了 渗漏问题。在更换管路的过程中，特别是连接不很可靠的情况下，少量的空气泄漏,管路本身的吸附解吸 等会造成一定的本底。3 2流量的影响因纯化器的规定流量范围在(01)L/min，我们选取0 1，0 2(设计流量)及1 0L/min进行实验, 数据如下：表3流量数据流量(L/min)H2( 10-6)O2( 10-6)N2( 10-6)1 00 00 030 020
15、 20 00 030 020 10 00 030 03可见，在整个流量范围内，都得到了好纯化效果,而在设计流量0 2L/min时，效果更佳。4 结束语虽然我们在对纯化器的评价上作了一些工作，但对它的研究评价工作远远没有结束。对纯化 器的总杂质净化能力测评以及个体间的差异的评估，是我们下一步的工作。纯化器提高了我们检验能力,DID气相色谱仪的检测水平达到10-9级，同时，也带动了微量气 体标准物质的研制水平，虽然原来在工艺上，也能配制出10 10-6级的标气，但由于检验方式不过关,给出的不确定度较大。现在用精密容量/称量法配制的标准 气，再经DID气相色谱仪检验,定值的可靠性的大大提高了，标气中杂质组分在（110） 10-6的 定值误差可以在0 1 10-6的范围之内。作者简介:宋栋梁，男,工程师。工作单位:江苏省计量科学研究院化学所。通讯地址:210007南 京市光华东街3号。收稿时间:2010-08-04（上接第48页）参考文献1 白云同，吕晓德电磁兼容设计M.北京:北京邮电大学出版社,2001.2 成志东高速数字系统印刷电路板电磁兼容设计.长江大学学报,2009.3 周琴.数字电子系统抗干扰分析与设计.硕士学位论文,2009.4刘鹏程.电磁兼容原理及技 术北京:高等教育出版社.5 王晓，姚民控制系统的电磁兼容设计导弹与控制学报.
