減小PCB設(shè)計(jì)的電磁干擾的方法及注意事項(xiàng)

前言

電磁兼容性設(shè)計(jì)與具體電路有著密切的關(guān)系，為了進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者需要將輻射（從產(chǎn)品中泄漏的射頻能量）減到最小，并增強(qiáng)其對(duì)輻射（進(jìn)入產(chǎn)品中的能量）的易感性和抗干擾能力。而對(duì)于低頻時(shí)常見(jiàn)的傳導(dǎo)耦合，高頻時(shí)常見(jiàn)的輻射耦合，切斷其耦合途徑是在設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必應(yīng)該給予充分重視的。本文主要講解PCB設(shè)計(jì)時(shí)要注意的地方，從而減低PCB板中的電磁干擾問(wèn)題。

PCB的設(shè)計(jì)原則

由于電路板集成度和信號(hào)頻率隨著電子技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越高，不可避免的要帶來(lái)電磁干擾，所以在設(shè)計(jì)PCB時(shí)應(yīng)遵循以下原則，使電路板的電磁干擾控制在一定的范圍內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求和標(biāo)準(zhǔn)，提高電路的整體性能。

1.電路板的選取

PCB設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是要適當(dāng)?shù)剡x取電路板的大小，尺寸過(guò)大會(huì)因元器件之間的連線過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致線路的阻抗值增大，抗干擾能力下降;而尺寸過(guò)小會(huì)導(dǎo)致元器件布置密集，不利于散熱，而且連線過(guò)細(xì)過(guò)密，容易引起串?dāng)_。所以應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)所需元件情況，選擇合適尺寸的電路板。

電路板分為有單面板、雙面板和多層板。電路板層數(shù)的選取取決于電路要實(shí)現(xiàn)的功能、噪聲指標(biāo)、信號(hào)和網(wǎng)線數(shù)量等。合理的層數(shù)設(shè)置可以減小電路自身的電磁兼容問(wèn)題。通常的選取原則是：①對(duì)于信號(hào)頻率為中低頻，元器件較少，布線密度屬于較低或中等時(shí)，選用單面板或雙面板;②對(duì)于布線密度高、集成度高且元器件較多時(shí)采用多層板;③對(duì)于信號(hào)頻率高、高速集成電路、元器件密集的選4層或?qū)訑?shù)更多的電路板。多層板在設(shè)計(jì)時(shí)可單獨(dú)某一層作為電源層、信號(hào)層和接地層。信號(hào)回路面積減小，降低差模輻射，為此多層板可以減小電路板的輻射和提高抗干擾能力。

2. 電路板元器件的布局

在確定PCB尺寸后，應(yīng)先確定特殊元件的位置，最后根據(jù)電路的功能單元，分塊的對(duì)電路的全部元件進(jìn)行布局。數(shù)字電路單元、模擬電路單元和電源電路單元應(yīng)分開(kāi)，高頻電路單元和低頻電路單元也應(yīng)分開(kāi)。常用電路板的布局原則如下。

1）確定特殊元件位置的原則：

①發(fā)熱元件應(yīng)放置在利于散熱的位置，例如PCB的邊緣，并遠(yuǎn)離微處理器芯片;②特殊的高頻元件應(yīng)緊挨著放置，以縮短他們之間的連線;③敏感元件應(yīng)遠(yuǎn)離時(shí)鐘發(fā)生器、振蕩器等噪聲源;④電位器、可調(diào)電感器、可變電容器、按鍵開(kāi)關(guān)等可調(diào)元件的布局應(yīng)符合整機(jī)的結(jié)構(gòu)需求，方便調(diào)節(jié);⑤質(zhì)量較重的元件應(yīng)采用支架固定;⑥EMI濾波器應(yīng)靠近EMI源放置。

2）根據(jù)電路功能單元對(duì)電路的傘部元器件進(jìn)行布局的原則：

①各功能電路應(yīng)按照之間的信號(hào)流向確定相應(yīng)的位置，方便布線；

②每個(gè)功能電路應(yīng)先確定核心元件的位置，并圍繞核心元件放置其他元件，盡量縮短元件之間的連線；

③對(duì)高頻電路，應(yīng)考慮元件之間的分布參數(shù)；

④放置于電路板邊上的元件，應(yīng)離電路板邊緣不小于2mm；

⑤DC/DC變換器、開(kāi)關(guān)管和整流器應(yīng)盡量靠近變壓器放置，以減小對(duì)外的輻射；

⑥調(diào)壓元件和濾波電容器應(yīng)靠近整流二極管放置。

3）電源與地的布線原則

PCB的電源與地的布線是否合理是整個(gè)電路板減小電磁干擾的關(guān)鍵所在。電源線和地線的設(shè)計(jì)是PCB中不可忽視的問(wèn)題，往往也是難度最大的一項(xiàng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則。

1）電源與地的布線技巧

PCB上的布線是有阻抗、容抗和感抗等分布參數(shù)的特性。為了減小PCB布線的分布參數(shù)對(duì)高速電子系統(tǒng)的影響，對(duì)電源與地的布線原則為：

①增大走線的間距以減少電容耦合的串?dāng)_；

②電源線和地線應(yīng)平行走線，以使分布電容達(dá)到最佳；

③根據(jù)承載電流的大小，盡量加粗電源線和地線的寬度，減小環(huán)路電阻，同時(shí)使電源線和地線在各功能電路中的走向和信號(hào)的傳輸方向一致，這樣有助于提高抗干擾能力；

④電源和地應(yīng)直接走線在各自的上方，從而減小感抗和使回路面積最小，盡量使地線走在電源線下面；

⑤地線越粗越好，一般地線的寬度不小于3mm；

⑥將地線構(gòu)成閉環(huán)路以縮小地線上的電位差值，提高抗干擾能力；

⑦在多層板布線設(shè)計(jì)時(shí)，可將其中一層作為“全地平面”，這樣可以減少接地阻抗，同時(shí)又起到屏蔽作用。

2）各功能電路的接地技巧

PCB各功能電路的接地方式分為單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。單點(diǎn)接地根據(jù)連接形式分為單點(diǎn)串聯(lián)接地和單點(diǎn)并聯(lián)接地兩種方式，如圖3和圖4所示。單點(diǎn)串聯(lián)接地由于各接地導(dǎo)線長(zhǎng)度不同，各電路接地阻抗不同，電磁兼容性能降低，常用于保護(hù)接地。單點(diǎn)并聯(lián)接地各電路有獨(dú)自的接地線，因此相互之間的干擾小，但可能延長(zhǎng)接地線，增大接地阻抗，常用于信號(hào)接地、模擬接地、電源接地。多點(diǎn)接地是指各電路都有一個(gè)接地點(diǎn)，如圖5所示。多點(diǎn)接地常用于高頻電路，具有接地線短，接地阻抗值較小，減少高頻信號(hào)的干擾。

為了減少接地帶來(lái)的干擾，接地也要滿足一定的要求：

①接地線盡可能要短，接地面要大；

②避免產(chǎn)生不必要的接地回路，減小公共接地的干擾電壓；

③接地原則是對(duì)于不同信號(hào)采取不同接地方式，不能把所有接地采取同一接地點(diǎn)；

④在設(shè)計(jì)多層PCB時(shí)，要把電源層和接地層盡可能放置在相鄰的層中，以便電路中形成層問(wèn)的電容，減小電磁干擾；

⑤盡量避免強(qiáng)電和弱電信號(hào)，數(shù)字和模擬信號(hào)共地。

降低噪聲與電磁干擾的24個(gè)竅門

（1） 能用低速芯片就不用高速的，高速芯片用在關(guān)鍵地方。

（2） 可用串一個(gè)電阻的辦法，降低控制電路上下沿跳變速率。

（3） 盡量為繼電器等提供某種形式的阻尼。

（4） 使用滿足系統(tǒng)要求的最低頻率時(shí)鐘。

（5） 時(shí)鐘產(chǎn)生器盡量近到用該時(shí)鐘的器件。石英晶體振蕩器外殼要接地。

（6） 用地線將時(shí)鐘區(qū)圈起來(lái)，時(shí)鐘線盡量短。

（7） I/O 驅(qū)動(dòng)電路盡量近印刷板邊，讓其盡快離開(kāi)印刷板。對(duì)進(jìn)入印制板的信號(hào)要加濾波，從高噪聲區(qū)來(lái)的信號(hào)也要加濾波，同時(shí)用串終端電阻的辦法，減小信號(hào)反射。

（8） MCD 無(wú)用端要接高，或接地，或定義成輸出端，集成電路上該接電源地的端都要接，不要懸空。

（9） 閑置不用的門電路輸入端不要懸空，閑置不用的運(yùn)放正輸入端接地，負(fù)輸入端接輸出端。

（10） 印制板盡量，使用45 折線而不用90 折線布線以減小高頻信號(hào)對(duì)外的發(fā)射與耦合。

（11） 印制板按頻率和電流開(kāi)關(guān)特性分區(qū)，噪聲元件與非噪聲元件要距離再遠(yuǎn)一些。

（12） 單面板和雙面板用單點(diǎn)接電源和單點(diǎn)接地、電源線、地線盡量粗，經(jīng)濟(jì)是能承受的話用多層板以減小電源，地的容生電感。

（13） 時(shí)鐘、總線、片選信號(hào)要遠(yuǎn)離I/O 線和接插件。

（14） 模擬電壓輸入線、參考電壓端要盡量遠(yuǎn)離數(shù)字電路信號(hào)線，特別是時(shí)鐘。

（15） 對(duì)A/D 類器件，數(shù)字部分與模擬部分寧可統(tǒng)一下也不要交叉。

（16） 時(shí)鐘線垂直于I/O 線比平行I/O 線干擾小，時(shí)鐘元件引腳遠(yuǎn)離I/O 電纜。

（17） 元件引腳盡量短，去耦電容引腳盡量短。

（18） 關(guān)鍵的線要盡量粗，并在兩邊加上保護(hù)地。高速線要短要直。

（19） 對(duì)噪聲敏感的線不要與大電流，高速開(kāi)關(guān)線平行。

（20） 石英晶體下面以及對(duì)噪聲敏感的器件下面不要走線。

（21） 弱信號(hào)電路，低頻電路周圍不要形成電流環(huán)路。

（22） 信號(hào)都不要形成環(huán)路，如不可避免，讓環(huán)路區(qū)盡量小。

（23） 每個(gè)集成電路一個(gè)去耦電容。每個(gè)電解電容邊上都要加一個(gè)小的高頻旁路電容。

（24） 用大容量的鉭電容或聚酷電容而不用電解電容作電路充放電儲(chǔ)能電容。使用管狀電容時(shí)，外殼要接地。