一、PCB抗干擾設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

PCB的有效抗干擾設(shè)計(jì)，是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，影響著電路工作的可靠性及穩(wěn)定性。本文剖析了電路板存在電磁干擾的主要原因，從電路板的選取、電路板元器件的布局、電源與地的布線和信號(hào)線的布線等方面總結(jié)出在PCB設(shè)計(jì)時(shí)有效抑制和防止電磁干擾的措施與原則。

 

印刷電路板(俗稱PCB)是電子產(chǎn)品中電路元件的載體，提供各電路元件之間的電氣連接，是各種電子設(shè)備最基本的組成部分，它的性能直接關(guān)系到電子設(shè)備質(zhì)量的好壞。隨著信息化社會(huì)的發(fā)展和電子技術(shù)的發(fā)展，電路的集成度越來越高，電路板的尺寸越來越小，電路板上的元件密度越來越高，電子產(chǎn)品的運(yùn)行速度越來越快，因此由其自身產(chǎn)生的電磁干擾問題和兼容性問題顯得更加突出，所以，如何減小PCB板的電磁干擾成為當(dāng)今電子技術(shù)的熱門話題。一個(gè)電路板的電磁兼容問題是一個(gè)電子系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵，影響著電路或系統(tǒng)工作的可靠性及穩(wěn)定性，為此在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)要有效解決電磁干擾問題。

文章將從分析現(xiàn)代智能高速電子系統(tǒng)中電路板存在電磁干擾的原因，總結(jié)出在PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的減小電磁干擾的措施與原則。

 

二、電路板存在電磁干擾的原因

在由開關(guān)電源和微處理器構(gòu)成的高速電子系統(tǒng)中，電路板的電磁干擾主要來自于自身存在的射頻干擾源、元器件、基本回路和差模與共模噪聲。

2.1 電路板上存在的射頻干擾源

在智能的高速電子系統(tǒng)中，電路板上的射頻干擾源主要來自微處理器系統(tǒng)、電源供電系統(tǒng)和振蕩器電路。

（1）微處理器系統(tǒng)

微處理器的射頻(RF)噪聲產(chǎn)生于芯片內(nèi)部并通過許多不同的可能方式耦合到外部，在所有輸入、輸出、電源和地同時(shí)存在，是潛在的噪聲，使到微處理器的每個(gè)引腳都可能有問題。而最大的問題是來自微處理器輸入和輸出引腳(I/O)的噪聲。這些噪聲主要產(chǎn)生于芯片內(nèi)部的時(shí)鐘切換，通過輸入和輸出引腳連接到內(nèi)部和外部的電纜并輻射出去，主要表現(xiàn)為短時(shí)脈沖波形干擾。

（2）電源供電系統(tǒng)

電源供電系統(tǒng)包括電源穩(wěn)壓器及其穩(wěn)壓器和微控制器端的旁路電容。這些電路是系統(tǒng)中所有射頻能量的源頭，為芯片內(nèi)的時(shí)序電路提供需要的切換電流。

（3）振蕩器電路

振蕩器電路為系統(tǒng)提供快速的時(shí)鐘信號(hào)，在數(shù)字系統(tǒng)中，由于振蕩器的輸出緩沖是數(shù)字的，因此在將正弦波轉(zhuǎn)化為方波時(shí)會(huì)在輸出側(cè)產(chǎn)生諧波。內(nèi)部運(yùn)行產(chǎn)生的任何噪聲，比如時(shí)鐘緩沖，都會(huì)在輸出端顯示出來，并通過元件耦合傳播。

 

2.2 其他的電磁干擾原因

（1）貼片器件和通孔元器件

貼片器件(SMD)因?yàn)楦锌馆^小和元器件放置較近、在處理射頻能量時(shí)比引線芯片更好。通常，通孔元器件的引線電容在約80MHz時(shí)都會(huì)產(chǎn)生自振蕩(由容性變?yōu)楦行?。因此高于80MHz的噪聲要受到控制，如果設(shè)計(jì)中采用通孔元器件就要考慮許多嚴(yán)重的問題。

 

（2）基本回路

從微處理器傳送到另一芯片的每個(gè)邊緣跳變都是一個(gè)電流脈沖，電流脈沖流向接收芯片，流出接收芯片的接地引腳，然后通過地線返回到微處理器的接地引腳，就構(gòu)成了一個(gè)基本回路。這樣的回路在電路中到處存在，任何噪聲電壓和它的附屬電流經(jīng)過最低阻抗路徑回到它產(chǎn)生的地方，從而造成影響。一個(gè)回路可以是信號(hào)線和它的返回路徑，電源和地之間的旁路，晶振和微處理器內(nèi)的驅(qū)動(dòng)器，或者是從電源供應(yīng)的電壓穩(wěn)壓器到旁路電容的回路?；芈返膸缀蚊娣e越大，輻射就越強(qiáng)，因此，我們可以通過控制返回路徑的形狀和阻抗來減輕噪聲的傳播。

 

（3）差模與共模噪聲

差模噪聲是信號(hào)通過線路傳輸?shù)浇邮招酒?，然后沿返回線路返回時(shí)產(chǎn)生的噪聲。兩條線路間存在著差分電壓，這是每個(gè)信號(hào)要完成功能必然要產(chǎn)生的噪聲。這種噪聲產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度正比于頻率的平方、電流的大小和電流環(huán)路的面積，反比于觀測(cè)點(diǎn)到噪聲源的距離。因此，減小差模輻射的方法為：降低電路的工作頻率、減小信號(hào)環(huán)路的面積或減小信號(hào)電流的強(qiáng)度。在實(shí)際工作中最有效的方法是控制信號(hào)環(huán)路的面積。

共模噪聲是電壓同時(shí)沿信號(hào)線和返回線傳輸，兩者之間沒有差分電壓，由信號(hào)線和返回線共有的阻抗引起的噪聲。共模阻抗噪聲是大多數(shù)基于微處理器的系統(tǒng)最常見的噪聲源。這種噪聲產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度正比于頻率的大小、電流的大小和電纜的長(zhǎng)度，反比于觀測(cè)點(diǎn)到噪聲源的距離。減小共模輻射的方法有：降低地線阻抗，縮短線路的長(zhǎng)度，使用共模扼流圈。

 

三、降低電磁干擾的PCB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)展越來越高，不可避免的要帶來電磁干擾，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。

3.1 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，尺寸過大會(huì)因元器件之間的連線過長(zhǎng)，導(dǎo)致線路的阻抗值增大，抗干擾能力下降；而尺寸過小會(huì)導(dǎo)致元器件布置密集，不利于散熱，而且連線過細(xì)過密，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PCB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PCB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PCB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PCB板可以減小電路板的輻射和提高抗干擾能力。

 

3.2 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，高頻電路單元和低頻電路單元也應(yīng)分開。通常，在布置高速、中速和低速電路時(shí)，應(yīng)參考圖1的方式排列元器件；在布置帶有時(shí)鐘、CPU、存儲(chǔ)器、控制器和輸入輸出電路時(shí)，應(yīng)參考圖2的方式排列元器件。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。

 

3.3 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PCB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。

 

（3）放置格柵化平面

對(duì)兩層PCB板來說，格柵化是最重要的設(shè)計(jì)技術(shù)。格柵化是在PCB上延伸地線并使用地填充模式來構(gòu)建連接到地的格柵網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成一個(gè)有效的地平面，和四層PCB板一樣能夠減小噪聲。它有兩個(gè)目的：①模仿四層PCB板的地層，為每一條信號(hào)線提供處于下方的返回路徑；②降低微處理器和電壓穩(wěn)壓之間的阻抗。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的原則是：①每條地線延伸盡可能填充印刷電路板的空間；②在兩層PCB板上盡可能多的放置格柵；③尺寸上合適時(shí)使用盡可能多的通孔將頂層和底層的格柵連接起來；④線路不一定要直角或同樣的寬度。

 

（4）高頻去耦電容和鐵氧體磁珠的使用

數(shù)字電路中，當(dāng)邏輯門的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)在電源上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰脈沖，形成瞬間的噪聲電壓，這種情況普遍采用去耦電容或鐵氧體磁珠來限制電流的突然變化，減小輻射。通常在每個(gè)芯片的電源和地之間加上容量約為0.01μF～0.1μF的高頻去耦電容，在靠近芯片的電源線上放置鐵氧體磁珠，以阻斷來自電源線的射頻電流源。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量做到：①采用鉭電容，而不要使用鋁電解電容，后者具有較大的內(nèi)部電感；②電容距離芯片越近越好，去耦電容的引線不宜太長(zhǎng)；③鐵氧體磁珠只用在+V的電源線上，不用在地線上；④鐵氧體磁珠盡量靠近噪聲源放置。

 

3.4 信號(hào)線的布線原則

（1）減小線路的容性和感性串?dāng)_

布線時(shí)，即使在很短的距離內(nèi)并行走線的線路之間也存在容性和感性串?dāng)_。容性耦合時(shí)，源端的上升沿會(huì)在受害者上引起一個(gè)上升沿。感性耦合時(shí)，受害者上的電壓改變與源端的改變正好相反。大部分串?dāng)_都是容性的，噪聲的大小正比于并行的距離、頻率、源端電壓的振幅和受害者的阻抗，反比于兩條線路離開的距離。

因此減小串?dāng)_的措施有：

①使連接到微處理器的攜帶射頻噪聲的線路遠(yuǎn)離其他信號(hào)；

②應(yīng)將可能成為噪聲受害者的信號(hào)的返回地線走線在其下方；

③不要在電路板的外部邊緣走噪聲線路；

④如果可能，將一些噪聲線路走線在一起然后用地線包圍；

⑤使非噪聲線路遠(yuǎn)離電路板上容易接收噪聲的區(qū)域，比如接插件、振蕩器電路、繼電器和繼電器驅(qū)動(dòng)器。

 

（2）合理安排返回地線數(shù)目

在計(jì)算機(jī)工業(yè)中，電纜或?qū)Ь€中每9條信號(hào)線至少要有1根地線，這是很普遍的經(jīng)驗(yàn)。高速時(shí)，這個(gè)比例變到5：1。

可以在設(shè)計(jì)信號(hào)線和返回線路時(shí)考慮的原則：

①最好是電纜中的每條信號(hào)線都有一條返回地線，組成雙絞線對(duì)；

②不要超過每9條信號(hào)線有一條返回地線；

③如果電纜超過一英尺長(zhǎng)，應(yīng)該每4條信號(hào)線有一條返回地線；

④如果可能，應(yīng)該使用一個(gè)實(shí)心金屬支架作為機(jī)械支架，焊接在兩塊電路板之間，既作為安裝支架，也作為可靠的射頻返回地線。

 

（3）其他的布線原則

①用作導(dǎo)線的銅箔在90度轉(zhuǎn)彎處會(huì)使導(dǎo)線的阻抗不連續(xù)，有可能產(chǎn)生反射干擾，所以應(yīng)將90度的導(dǎo)線改成135度的走線，這樣有助于減少發(fā)生反射干擾；

②雙面布線的PCB，上下兩層的布線應(yīng)垂直交叉，以減少耦合，有利于抑制干擾；

③采用隔離走線，在許多不得不平行走線的電路布線時(shí)可考慮在兩條信號(hào)線中加一條接地的隔離走線；

④所有線路盡量沿直流地鋪設(shè)，盡量避免沿交流地鋪設(shè)；

⑤采用短接線，在線路無法排列或只有繞大圈才能走通的情況下，干脆用絕緣“飛線”連接，不用印刷線，或者用阻容元件引線直接跨接；

⑥直流電路應(yīng)遠(yuǎn)離交流電路布線，輸入信號(hào)線與輸出信號(hào)線應(yīng)分開；

⑦信號(hào)走線不要有分支，應(yīng)連貫地從一個(gè)元件到下一個(gè)元件，以避免反射干擾或諧波干擾；

⑧時(shí)鐘等高頻信號(hào)線應(yīng)靠近地線進(jìn)行布線，使環(huán)路面積最小，以減小差模輻射。

 

四、PCB抗電磁干擾設(shè)計(jì)結(jié)束語

想完全消除電子產(chǎn)品中的電磁干擾是不可能的，我們只能采取必要措施減小電磁干擾，使電磁干擾控制在一定范圍內(nèi)，而一個(gè)良好的印刷電路板的設(shè)計(jì)，是減小電磁干擾的重要環(huán)節(jié)。在印刷電路板設(shè)計(jì)時(shí)，可參考以上所提到的設(shè)計(jì)原則，但這些原則并不是一成不變，應(yīng)該根據(jù)具體電路情況，靈活應(yīng)用各種抗干擾的方法，才能最大程度地滿足電磁兼容的要求，這需要設(shè)計(jì)者平時(shí)的經(jīng)驗(yàn)積累和總結(jié)。