印制電路板中的電磁干擾

1、印制電路板中的電磁干擾問題包括公共阻抗耦合、串?dāng)_、高頻載流導(dǎo)線產(chǎn)生的輻射，以及印制線條對(duì)高頻輻射的感應(yīng)等。以下闡述了在PCB設(shè)計(jì)時(shí)為滿足電磁兼容性必須注意的事項(xiàng)。1.PCB中的公共阻抗耦合問題讓模擬和數(shù)字電路分別擁有自己的電源和地線通路，在可能的情況下，應(yīng)盡量加寬這兩部分電路的電源與地線或采用分開的電源層與接地層，以便減小電源與地線回路的阻抗，減小任何可能在電源與地線回路中的干擾電壓。一單獨(dú)工作的PCB的模擬地和數(shù)字地可在系統(tǒng)接地點(diǎn)附近

2、單點(diǎn)匯接，如電源電壓一致，模擬和數(shù)字電路的電源在電源入口單點(diǎn)匯接，如電源電壓不一致，在兩電源較近處并一1~2nf的電容，給兩電源間的信號(hào)返回電流提供通路。如此PCB是插在母板上的，則母板的模擬和數(shù)字電路的電源和地也要分開，模擬地和數(shù)字地在母板的接地處接地，電源處理與上面一樣。2.PCB的布局設(shè)計(jì)要求歸結(jié)如下：當(dāng)高速、中速和低速數(shù)字電路混用時(shí)，在印制板上要給它們分配不同的布局區(qū)域。對(duì)低電平模擬電路和數(shù)字邏輯電路要盡可能地分離。圖1是印制板

3、的最佳布局。因?yàn)檫@種布局可以使高頻電流在印制板上的走線路徑變短，有助于降低線路板內(nèi)部的串?dāng)_、公共阻抗耦合和輻射發(fā)射。圖2則表示了在線路板上有模擬電路的情況。模擬與數(shù)字電路要分開；至于線路板上的邏輯電路仍采用圖1的類似布局，即讓高速邏輯電路盡可能在線路板的邊緣。圖1：數(shù)字電路印制板的布局圖2：數(shù)字與模擬電路混合使用時(shí)的布局3多層印制板設(shè)計(jì)3.1數(shù)字電路的電磁兼容設(shè)計(jì)中要考慮的是數(shù)字脈沖的上升沿和下降沿所決定的頻帶寬而不是數(shù)字脈沖的重復(fù)頻率

4、。方形數(shù)字信號(hào)的印制板設(shè)計(jì)帶寬定為1／πtr，通常要考慮這個(gè)帶寬的十倍頻。3.2多層印制板設(shè)計(jì)要決定選用的多層印制板的層數(shù)。多層印制板的層間安排隨著電路而變，但有以下幾條共同原則。（1）電源平面應(yīng)靠近接地平面，并且安排在接地平面之下。這樣可以利用兩金屬平板間的電容作電源的平滑電容，同時(shí)接地平面還對(duì)電源平面上分布的輻射電流起到屏蔽作用。（2）布線層應(yīng)安排與整塊金屬平面相鄰。這樣的安排是為了產(chǎn)生通量對(duì)消作用。（3）把數(shù)字電路和模擬電路分開，

5、有條件時(shí)將數(shù)字電路和模擬電路安排在不同層內(nèi)。如果一定要安排在同層；可采用開溝、加接地線條、分隔等方法補(bǔ)救。模擬的和數(shù)字的地、電源都要分開，不能混用。數(shù)字信號(hào)有很寬的頻譜，是產(chǎn)生干擾的主要來源。（4）在中間層的印制線條形成平面波導(dǎo)，在表面形成微帶線，兩者傳輸特性不同。（5）時(shí)鐘電路和高頻電路是主要的干擾和輻射源，一定要單獨(dú)安排、遠(yuǎn)離敏感電路。（6）不同層所含的雜散電流和高頻輻射電流不同，布線時(shí)不能同等看待。3.3多層PCB的典型布層安排：

6、123456789102層S1GS2P4層S1GPS26層S1GS2S3PS4差6層S1S2GPS3S4一般6層S1GS2PGS3好8層S1S2GS3S4PS5S6差設(shè)計(jì)印制板時(shí)經(jīng)常要在電路上加電容器來滿足數(shù)字電路工作時(shí)要求的電源平穩(wěn)和潔凈度。電路中的電容可分為退耦電容、旁路電容和容納電容三類。退耦電容用來濾除高頻器件在電源板上引起的輻射電流，為器件提供一個(gè)局域化的直流，還能減低印制電路中的電流沖擊的峰值。旁路電容能消除高頻輻射噪聲。噪

7、聲能限制電路的帶寬，產(chǎn)主共模干擾。平滑或容納電容是用來解決開關(guān)器件工作時(shí)電源電壓會(huì)產(chǎn)生突降的問題。設(shè)計(jì)中最重要的是確定電容量和接入電容的地點(diǎn)。電容器的自諧振頻率是決定電容設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。電容器有引出線，就會(huì)給電容器附加了固有的電感和電阻，考慮這些因素，實(shí)際的電容可看成由電阻、電感、電容組成的串聯(lián)諧振電路，如圖5所示。因此，實(shí)際電容器都有自諧振頻率，在自諧振頻率以下，電容器呈電容性；高于自諧振頻率時(shí)，電容器呈電感性，阻抗隨頻率增高而增大，

8、使旁路作用大大下降。諧振頻率為應(yīng)該選擇諧振頻率高的電容器。典型的陶瓷電容器的引線大約有6mm長(zhǎng)，會(huì)引入15nH的電感，這種類型的電容器對(duì)應(yīng)的自諧振頻率列在下表中。表2：電容器的自諧振頻率電容器的電容值（uF）10.10.010.001電容器的自諧振頻率（MHz）2.551550電源板和接地板之間構(gòu)成的平板電容器也有自諧振頻率，這一諧振頻率如果與時(shí)鐘頻率如果與時(shí)鐘頻率諧振，就會(huì)使整個(gè)印制板成為一個(gè)電磁輻射器。這一諧振頻率可以達(dá)到200MH

9、z～400MHz，采用20－H原則還可以使這個(gè)諧振頻率提高23倍。采用一個(gè)大容量的電容器與一個(gè)下容量的電容器并聯(lián)的方法可以有效地改善自諧振頻率特性，當(dāng)大容量的電容器達(dá)到諧振點(diǎn)時(shí)，大電容的阻抗開始隨頻率增加而變大；小容量的電容器尚未達(dá)到諧振點(diǎn)，仍然隨頻率增加而變小并將對(duì)旁路電流起主導(dǎo)作用。退耦電容的電容量按式計(jì)算，式中△I為瞬變電流、△V為邏輯器件工作允許的電源電壓值的變化、△t為開關(guān)時(shí)間。在電源引線比較長(zhǎng)時(shí)，瞬變電流引起較大的壓降，此時(shí)

10、就要加容納電容以便維持器件要求的電壓值。設(shè)計(jì)時(shí)，先計(jì)算允許的阻抗Zm，Zm=△V△I然后，由線條電感Lw求出不超過Zm對(duì)應(yīng)的頻率fm=Zm(2πLw)，當(dāng)使用頻率高于fm時(shí)，要加容納電容Cb，通常Cb為10～100uF之間取值。Cb＝1／(2πfmZm)電容材料對(duì)溫度很敏感，要選溫度系數(shù)好的。還要選擇等效串聯(lián)電感和等效串聯(lián)電阻小的電容器，一般要求等效串聯(lián)電感值小于10nH，等效串聯(lián)電阻小于0.5Ω。在每?jī)蓚€(gè)LSI或VLSI元件處都要加平

11、滑電容，電源入口處也要加入平滑電容。此外，IO連接器、距電源輸入連接器遠(yuǎn)的地方、元件密集處、時(shí)鐘發(fā)生電路附近都要加平滑電容器，平滑電容的計(jì)算與退耦電容的計(jì)算方法相同。6時(shí)鐘電路之EMC設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路在數(shù)字電路中占有重要地位，同時(shí)時(shí)鐘電路也是產(chǎn)生電磁輻射的主要來源。一個(gè)具有2ns上升沿的時(shí)鐘信號(hào)輻射能量的帶寬可達(dá)160MHz，其可能輻射帶寬可達(dá)十倍頻，即1.6GHz。因此，設(shè)計(jì)好時(shí)鐘電路是保證達(dá)到整機(jī)輻射指標(biāo)的關(guān)鍵。時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)主要的問題有

12、如下幾個(gè)方面。（1）阻抗控制：計(jì)算各種由印制板線條構(gòu)成的微帶線和微帶波導(dǎo)的波阻抗、相移常數(shù)、衰減常數(shù)等等。許多設(shè)計(jì)手冊(cè)都可以查到一些典型結(jié)構(gòu)的波阻抗和衰減常數(shù)。特殊結(jié)構(gòu)的微帶線和微帶波導(dǎo)的參數(shù)需要用計(jì)算電磁學(xué)的方法求解。（2）傳輸延遲和阻抗匹配：由印制線條的相移常數(shù)計(jì)算時(shí)鐘脈沖受到的延遲，當(dāng)延遲達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，就要進(jìn)行阻抗匹配以免發(fā)生終端反射使時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)或發(fā)生過沖。阻抗匹配方法有串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻、戴維南網(wǎng)絡(luò)、RC網(wǎng)絡(luò)、二極管陣等。（