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

张蓉

天地（常州）自动化股份有限公司 江苏省 常州市 213000

摘要：PCB（印制电路板）是所有电子设备必须具备的载体，其设计质量和性能水平将会直接影响电子设备的可靠性和运行稳定性。因此，随着时代的发展，人们对PCB的设计质量也提出了更高的要求。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。因此，本文就PCB设计中的电磁兼容问题进行分析与探讨。

关键词：PCB；设计；电磁兼容

一、电磁兼容要素分析

任何电磁干扰的产生必须具备电磁干扰源、耦合通道和敏感设备三个要素，缺少任意一个要素，都无法构成电磁干扰。因此可从上述三个要素着手进行分析，进而进行电磁兼容设计。

（一）电磁干扰源

机载电子装备通常都具有高集成度、高性能、嵌入式等特点，具备信息或信号感知、采集、记录、存储、分析处理、下传等功能，电磁干扰源一般包括内部晶振、高速数字逻辑电路、开关电源模块及功率器件等。飞机平台内诸如电动机、发电机、通讯设备等其他机载电子设备也会产生电磁干扰成为内部干扰源。此外，有的飞机平台、陆基平台等会向外专门发射强电磁波耦合至载机内部形成电磁干扰。在某些特定情况下，大自然也会产生强电磁场，成为干扰源。

（二）耦合通道

耦合通道，即电磁干扰的途径，主要包括传导和辐射。传导干扰是指通过阻抗传导方式，在电磁干扰源和敏感设备之间传导；辐射干扰是指在空间内以电磁波形式进行传播，主要是由于电缆辐射泄露和结构缝隙泄露，并通过敏感设备的结构缝隙或电缆耦合进入造成干扰，有时敏感设备的电缆也会作为天线接收电磁波。

（三）敏感设备

即被干扰设备，主要包括机载电子装备的微处理器（MPU）、输入输出设备（IO设备）、通讯设备（ICD）等。

二、PCB设计中电磁兼容设计的分析

（一）电路板的选取分析

选取电路板是PCB设计的首要工作，而科学选取适宜类型的电路板，则能够为后续的电磁兼容设计奠定良好的基础。对于电路板，通常会根据层数的不同分为单层板、双层板和多层板三个类型。在进行PCB设计时，首先，需要设计人员在综合考虑成本承受能力、PCB设计性能指标、特殊布线要求、信号密度、电路板电源、板级工作频率等因素的基础上，合理确定所用电路板的层数。针对目前广泛使用的高速PCB，普遍采用四层或四层以上的多层板。其次，从电磁兼容性的层面考虑，减少关键信号（尤其是电源信号）的回路面积是提升PCB电磁兼容性最直接、最有效的方法。基于此，在确定电路板层数后，设计人员可以上述方法为导向，对多层板的电源层和地层进行特殊设计，如：尽可能缩短地线与信号线间的距离，使二者间的距离等于PCB的层间距离。这样便可最大限度减小板上信号的回路面积，从而达到减小PCB差模辐射，提高电磁抗扰能力的设计目的。

此外，当PCB时钟频率≥5MHZ或者脉冲上升时间小于5ns时，必须选用多层板。同时，为提升PCB的电磁兼容性，应优先选用基板材料相对介电常数较大的多层板，并严格遵循以下原则进行板层的排列设计：（1）元件下应为地平面，一方面为顶层布线提供参考平面，另一方面为器件提供屏蔽层；（2）应尽可能保证信号层与地平面相邻；（3）应避免两个信号层直接相邻；（4）若电源层和地层上均能够直接进行信号线的布设，则应最大限度保证地层的完整性，优先在电源层上进行信号线的布设；（5）应保证主电源与其对应地相邻；（6）通常情况下，四层板宜采用“信号层—地层—电源层—信号层”的排序设计；六层板宜采用“信号层—地层—信号层—地层—电源层—信号层”的排序设计。

（二）元器件的布局分析

PCB上的元件布局设计情况，也会对其电磁兼容性产生直接性的影响，因此，在进行PCB电磁兼容设计时，需要对板上元件的布局形式进行细致考虑。

从频率层面考虑，应遵循“高频电路→中频电路→低频电路”的顺序进行元件布局设计；从逻辑速度层面考虑，应遵循“高速逻辑电路→中速逻辑电路→低速逻辑电路”的顺序进行元件布局设计；从板上单元格电磁敏感度的层面考虑，在布局设计时应先根据不同单元格工作过程中对电磁兼容性的敏感程度，对其进行合理分组，然后根据分组情况对电路板进行区域分割，这种布局设计方法既能够使同类元件集中在一起发挥作用，还能够从空间层面对各元件组之间的工作进行协调，使PCB的整体工作效率得到大幅度提升。目前，在进行PCB设计时，设计人员通常会将电路板分割成电源电路、射频电路、模拟电路等多个部分。

除上述要点外，在进行元件布局设计时，做好以下设计要点的把控能够有效避免多种电磁兼容问题发生：（1）布局设计时应保证电源、功率输出器等易发热元件的位置远离关键集成电路，尽可能将这类元器件设置在PCB边缘区域或偏上方区域，以便其能够更好地散热；（2）针对敏感元件，布局设计时应使其远离CPU时钟发生器。同时

，为进一步提升元件的隔离性，可以在其周围的电源铜箔上蚀刻出马蹄形；（3）为了减小PCB使用过程中的共模电流辐射，在布局设计时应将所有连接器元件统一设置在PCB的一侧，不要出现两侧引出I/O线缆的情况；（4）若引线长度超过的噪声频率波长的1/20时便会产生天线效应，带来较为明显的电磁干扰。为避免上述问题的发生，在进行PCB元件布局设计时，应尽可能缩短高速器件的走线长度，并尽量将其设置在远离连接器的地方。同时，可采用I/O驱动器与连接器相邻布置的方式，减少I/O信号的走线距离，以此耦合干扰信号；（5）对于动作电平差异大或者工作频率接近的元件，布局设计时应增大元件的间距，以此避免工作过程中相互干扰。对于振荡器、时钟发生器等运行噪声较大的元件，可集中设置在远离逻辑电路部分的地方；（6）在EMI同一面线路板上，应在临近EMI源的地方设置EMI滤波器。

（三）电源线和地线设计

电源线和地线设计是PCB设计的重要内容，从提升电磁兼容性的角度出发，可对PCB电源线和地线进行如下设计。

在电源线设计方面。可采用轨线对双板进行供电。设计时，应尽量提升轨线对地布设粗度并使轨线相互接近。同时，要尽量减小PCB供电环路的面积，并保证电源的供电环路不存在相互重叠的情况。对于布线密度较大的PCB，上述设计方法具有较大的实现难度，此时可采用加入小型电源母线的设计方式对PCB进行供电。除上述要求外，还应利用专门的电源层和地线层对多层板进行供电，并通过针对性的设计手段将PCB的特性抗阻控制在1以内。

在地线设计方面。在进行高速PCB设计时，其地线布设应注重以下要点：（1）避免出现单点接地的情况，应遵循“就近原则”实行多点接地。这样能够有效减少接地阻抗，确保地线长度低于1/20的波长范围；（2）数字地与模拟地应分开设置；（3）尽可能加粗地线的宽度；（4）对地线信号线采用回路式设计，多层板每个信号层需配置一个底线层。

（四）电容设计分析

在电容设计方面，应从电容选择和去耦电容配置两个方面进行考虑。

在电容选择方面：应选择贴片式电容。对于去耦电容和旁路电容，可先根据其对应的时钟速度来计算电容的自谐振频率，然后根据计算结果和电路中的容抗确定出所需电容的电容值。此外，应尽可能选用引线电感更低的SMT电容器。

在去耦电容配置方面：每个集成电路芯片均应配备1个0.01pF陶瓷电容。对于ROM、RAM等电源变化大、抗噪能力弱的元件，需在其电源线和地线之间设置去耦电容。电容引线不宜过长，尤为注意：高频旁路电容严禁设置引线。

结束语

总而言之，在电磁兼容是PCB设计中，PCB中的电磁兼容问题会影响PCB系统的运行性能，而电路板、元器件、电源线、电线与电容等均是影响PCB运行的重要元素。在今后的PCB设计中，设计人员既需要把握这四项设计内容，科学设计；也需要加强对常见电磁兼容问题的关注，适当调整电流与频率，从而改善信号稳定性、电磁干扰等问题，提升PCB设计的整体水平。

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