- 基于電磁兼容技術PCB板的設計研究
- 采用新的設計手段
- 利用成熟的安裝工藝
1電磁兼容
電磁兼容（EMC）是一門綜合性學科，主要研究電磁干擾和抗干擾的問題。電磁兼容性是指電子設備或系統在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下，不因電磁干擾而降低性能，同時它們本身產生的電磁輻射不大于檢定的極限電平，不影響其它電子設備或系統的正常運行，并達到設備與設備、系統與系統之間互不干擾、共同可靠地工作的要求。電磁兼容性 （EMC）包括兩個方面：產品的電磁輻射性和抗電磁干擾性口一個好的電子產品必須考慮電磁兼容問題，既不能有電磁輻射干擾其他電子設備，又要有較低的電磁敏感度，能抵抗規(guī)定的電磁干擾。電磁干擾是電磁騷擾引起的后果，它會使電子設備、傳輸通道、系統和印刷板組裝件的性能下降。印刷板作為電子設備的基礎部件，使用中同樣存在電場和磁場，有電、磁場存在就有電磁兼容問題，尤其是現代電子設備中大量采用數字電路、高速邏輯電路，信號的傳輸速度大大提高，這也增大了引起電磁輻射和受電磁干擾的因素，所以考慮電磁兼容問題是印刷電路板設計的重要內容。
2印刷電路板上抑制電磁干擾設計
由于PCB上的電子器件和線路的密集度不斷增加，而信號的頻率也不斷提高，不可避免地會引入E訛（電磁兼容）和陰I（電磁干擾）的問題。
外部的傳導干擾和輻射干擾對PCB上的電路基本無影響，實際上在設計中采取正確的措施常常能同時起到抗干擾和抑制發(fā)射的作用。在設計印刷電路板時，首先要根據實際需要，選擇合適的印制板類型（板材和板層），然后是確定元器件在板上的位置，再依次布局，設計地線、信號線。
2.1印刷電路板的選取
印刷電路板有單面、雙面和多層板之分。單面和雙面板一般用于低、中密度布線的電路和集成度較低的電路。多層板適用于高密度布線、高集成度芯片的高速數字電路。從電磁兼容的角度來說，多層板可以減小線路板的電磁輻射并提高線路板的抗干擾能力。因為在多層板中，可以設置專門的電源層和地層，使信號線與地線之間的距離僅為線印刷電路板的層間距離。這樣板上所有信號的回路面積就可以降至最小，從而有效減小差模輻射。
2.2元器件的布局
設計印刷電路板不僅僅是簡單地將各個元器件之間用印制導線連接起來，更重要的是應當考慮電路的特點和要求，正確的擺放元器件
l）按電路單元和相互有連接關系的元器件應靠近布局。以減少元器件之間的走線和連線的長度，減低輻射和干擾。
2）按電路工作頻率或器件的開關速度的相對高低分區(qū)布局，從I/0端向板的遠端電路工作頻率依次降低分布，在較高頻率區(qū)內，高速震蕩器件不應靠近工/0端。
3）容易產生電磁輻射的元器件（如：時鐘、震蕩器等），遠離電磁敏感器件或走線，必要時采取電磁屏蔽措施。
2.3信號線的布局
信號線的布置最好根據信號的流向順序安排，使電路板上的信號走向流暢。不相容的信號線應相互遠離，不要平行走線。同一層上的信號線保持一定間距，最好以相應地線回路隔離，減少線間信號串擾。分布在不同層上的信號線走向應相互垂直，這樣可以減少線間的電場和磁場禍合干擾。高速信號的回路面積盡可能小，以免發(fā)生輻射干擾。
1）高速信號線盡可能放在同一層，不要換層：2）使信號線平滑過度，避免由于線寬突變引起信號反射：3）印制線不要一部分緊鄰地線走，一部分不緊鄰造成阻抗突變;4）信號線不要離印制板邊緣太近，否則會引起特征阻抗變化，而且容易產生邊緣場，增加向外的輻射：5）對于導線特性阻抗要求嚴格的信號線，應采用帶狀線或微帶線的布線形式，有利于導線寬度、厚度和絕緣層厚度調整特性阻抗;6）當電路的工作頻率超過SMHz或器件的邊沿數率超過sns時，應優(yōu)先選用多層板，有利于降低電磁干擾;7）高速信號傳輸線路中過孔盡量少，并且孔徑小，有利于降低孔的寄生電容，通常采用小孔徑的過孔、埋孔或盲孔。
2.4地線布局
1）將數字電路與模擬電路分開。電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應使它們盡量分開，兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。
2）正確選擇單點接地與多點接地。在低頻電路中，信號的工作頻率小于1陽z，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而應采用一點接地。當信號工作頻率大于10MHz時，地線阻抗變得很大，此時應盡量降低地線阻抗，應采用就近多點接地。
3）盡量加粗接地線。若接地線很細，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設備的定時信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應將接地線盡量加粗，使它能通過三倍于印制電路板的允許電流。
4）地線上的隔離孔不應距離太近，隔離孔的絕緣環(huán)不能過大，以免形成無意的溝槽，影響上一層信號線的阻抗。
5）接地線構成閉環(huán)路。設計只由數字電路組成的印刷電路板的地線系統時，將接地線做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。
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1電磁兼容
電磁兼容（EMC）是一門綜合性學科，主要研究電磁干擾和抗干擾的問題。電磁兼容性是指電子設備或系統在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下，不因電磁干擾而降低性能，同時它們本身產生的電磁輻射不大于檢定的極限電平，不影響其它電子設備或系統的正常運行，并達到設備與設備、系統與系統之間互不干擾、共同可靠地工作的要求。電磁兼容性 （EMC）包括兩個方面：產品的電磁輻射性和抗電磁干擾性口一個好的電子產品必須考慮電磁兼容問題，既不能有電磁輻射干擾其他電子設備，又要有較低的電磁敏感度，能抵抗規(guī)定的電磁干擾。電磁干擾是電磁騷擾引起的后果，它會使電子設備、傳輸通道、系統和印刷板組裝件的性能下降。印刷板作為電子設備的基礎部件，使用中同樣存在電場和磁場，有電、磁場存在就有電磁兼容問題，尤其是現代電子設備中大量采用數字電路、高速邏輯電路，信號的傳輸速度大大提高，這也增大了引起電磁輻射和受電磁干擾的因素，所以考慮電磁兼容問題是印刷電路板設計的重要內容。
2印刷電路板上抑制電磁干擾設計
由于PCB上的電子器件和線路的密集度不斷增加，而信號的頻率也不斷提高，不可避免地會引入E訛（電磁兼容）和陰I（電磁干擾）的問題。
外部的傳導干擾和輻射干擾對PCB上的電路基本無影響，實際上在設計中采取正確的措施常常能同時起到抗干擾和抑制發(fā)射的作用。在設計印刷電路板時，首先要根據實際需要，選擇合適的印制板類型（板材和板層），然后是確定元器件在板上的位置，再依次布局，設計地線、信號線。
2.1印刷電路板的選取
印刷電路板有單面、雙面和多層板之分。單面和雙面板一般用于低、中密度布線的電路和集成度較低的電路。多層板適用于高密度布線、高集成度芯片的高速數字電路。從電磁兼容的角度來說，多層板可以減小線路板的電磁輻射并提高線路板的抗干擾能力。因為在多層板中，可以設置專門的電源層和地層，使信號線與地線之間的距離僅為線印刷電路板的層間距離。這樣板上所有信號的回路面積就可以降至最小，從而有效減小差模輻射。
2.2元器件的布局
設計印刷電路板不僅僅是簡單地將各個元器件之間用印制導線連接起來，更重要的是應當考慮電路的特點和要求，正確的擺放元器件
l）按電路單元和相互有連接關系的元器件應靠近布局。以減少元器件之間的走線和連線的長度，減低輻射和干擾。
2）按電路工作頻率或器件的開關速度的相對高低分區(qū)布局，從I/0端向板的遠端電路工作頻率依次降低分布，在較高頻率區(qū)內，高速震蕩器件不應靠近工/0端。
3）容易產生電磁輻射的元器件（如：時鐘、震蕩器等），遠離電磁敏感器件或走線，必要時采取電磁屏蔽措施。
2.3信號線的布局
信號線的布置最好根據信號的流向順序安排，使電路板上的信號走向流暢。不相容的信號線應相互遠離，不要平行走線。同一層上的信號線保持一定間距，最好以相應地線路隔離，減少線間信號串擾。分布在不同層上的信號線走向應相互垂直，這樣可以減少線間的電場和磁場禍合干擾。高速信號的回路面積盡可能小，以免發(fā)生輻射干擾。
1）高速信號線盡可能放在同一層，不要換層：2）使信號線平滑過度，避免由于線寬突變引起信號反射：3）印制線不要一部分緊鄰地線走，一部分不緊鄰造成阻抗突變;4）信號線不要離印制板邊緣太近，否則會引起特征阻抗變化，而且容易產生邊緣場，增加向外的輻射：5）對于導線特性阻抗要求嚴格的信號線，應采用帶狀線或微帶線的布線形式，有利于導線寬度、厚度和絕緣層厚度調整特性阻抗;6）當電路的工作頻率超過SMHz或器件的邊沿數率超過sns時，應優(yōu)先選用多層板，有利于降低電磁干擾;7）高速信號傳輸線路中過孔盡量少，并且孔徑小，有利于降低孔的寄生電容，通常采用小孔徑的過孔、埋孔或盲孔。
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2.4地線布局
1）將數字電路與模擬電路分開。電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應使它們盡量分開，兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。
2）正確選擇單點接地與多點接地。在低頻電路中，信號的工作頻率小于1陽z，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而應采用一點接地。當信號工作頻率大于10MHz時，地線阻抗變得很大，此時應盡量降低地線阻抗，應采用就近多點接地。
3）盡量加粗接地線。若接地線很細，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設備的定時信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應將接地線盡量加粗，使它能通過三倍于印制電路板的允許電流。
4）地線上的隔離孔不應距離太近，隔離孔的絕緣環(huán)不能過大，以免形成無意的溝槽，影響上一層信號線的阻抗。
5）接地線構成閉環(huán)路。設計只由數字電路組成的印刷電路板的地線系統時，將接地線做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。
2.5印刷導線的寬度
導線寬度應以滿足電氣性能而又便于生產為宜，它的最小值以承受的電流而定，但最小不宜小于0.Zmln，在高密度、高精度的印刷線路中，導線寬度和間距一般可取0.3nnn;導線寬度在大電流情況下還應考慮到其溫升，單面板試驗表明，當銅箔厚度為SOum、導線寬度1一1.smm、通過電流為2A時，溫升很小。
在DIP封裝的走線間，當兩腳間通過2根線時，焊盤直徑可設為50mil，線寬與線距都為10耐l;當兩腳間只通過1根導線時，焊盤直徑可設為64011，線寬與直徑都為12mil。
3軟件抗干擾措施
采用看門狗電路防止由于外界干擾硬件故障及程序出錯致使系統停機中斷或程序進入死循環(huán);采用軟件濾波方法剔除高頻脈沖干擾。
4小結
印制電路板中的電磁兼容問題很復雜，要針對具體問題采取相應的措施。設計中善于采用新的設計手段，吸取先進的設計經驗，利用成熟的安裝工藝，有效的減少電磁干擾。隨著PCB工藝的不斷提高和電磁兼容學的深入發(fā)展，其電子產品的電磁兼容性能也將會有顯著的提高。
