基于电磁兼容的PCB设计

0 引言
PCB是英文(Printed Circuit Board)印制线路板的简称。通常把在绝缘材料上，按预定设计，制成印制线路、印制元件或两者组合而成的导电图形称为印制电路。而在绝缘基材上提供元器件之间电气连接的导电图形，称为印制线路。这样就把印制电路或印制线路的成品板称为印制线路板，亦称为印制板或印制电路板。PCB几乎我们所能见到的电子设备都离不开它，小到电子手表、计算器、通用电脑，大到计算机、通讯电子设备、航空、航天、军用武器系统，只要有集成电路等电子元器件，它们之间电气互连都要用到PCB，它的性能直接关系到电子设备质量的好坏。随着电子技术的飞速发展，电子产品越来越趋向高速，高灵敏度，高密度，这种趋势导致了PCB电路板设计中的电磁兼容(EMC)和电磁干扰问题严重化，电磁兼容设计已成为PCB设计中急待解决的技术难题。

1 电磁兼容
电磁兼容(Electro―Magnetic Compatibility，简称EMC)是一门新兴综合性学科，它主要研究电磁干扰和抗干扰问题。电磁兼容性是指电子设备或系统在规定的电磁环境电平下，不因电磁干扰而降低性能指标，同时它们本身产生的电磁辐射不大于限定的极限电平，不影响其它系统的正常运行，并达到设备与设备、系统与系统之间互不干扰、共同可靠工作的目的。电磁干扰(EMI)产生是由于电磁干扰源通过耦合路径将能量传递给敏感系统造成的，它包括由导线和公共地线的传导、通过空间辐射或近场耦合3种基本形式。实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响，所以保证印制电路板电磁兼容性是整个系统设计的关键。
1．1 电磁干扰(EMI)
当一个EMI问题产生时，需要用3个元素来描述：干扰源、传播路径和接受者。如图l所示：

因此我们要减小电磁干扰，就要在这三个元素上去想办法。下面我们主要讨论印制电路板的布线技术。

2 印制电路板的布线技术
良好的印制电路板(PCB)布线在电磁兼容性中是一个非常重要的因素。
2．1 PCB基本特性
一个PCB的构成是在垂直叠层上使用了一系列的层压、走线和预浸处理。在多层PCB中，设计者为了方便调试，会把信号线布在最外层。
PCB上的布线是有阻抗、电容和电感特性的。
阻抗：布线的阻抗是由铜和横切面面积的重量决定的。例如，l盎司铜则有O．49 mΩ／单位面积的阻抗。电容：布线的电容是由绝缘体(EoEr)、电流到达的范围(A)以及走线间距(h)决定的。用等式表达为C=EoErA／h，Eo是自由空间的介电常数(8．854 pF／m)，Er是PCB基体的相关介电常数(在FR4碾压中为4．7)。
电感：布线的电感平均分布在布线中，大约为1 nH／m。
对于1盎司铜线来说，在O．25 mm(10mil)厚的FR4碾压情况下，位于地线层上方的0．5 mm(20 mil)宽，20 mm(800 mil)长的线能产生9．8 m∧的阻抗，20 nH的电感以及与地之间1．66 pF的耦合电容。将上述值与元器件的寄生效应相比，这些都是可以忽略不计的，但所有布线的总和可能会超出寄生效应。因此，设计者必须将这一点考虑进去。PCB布线的普遍方针：
(1)增大走线的间距以减少电容耦合的串扰；
(2)平行的布电源线和地线以使PCB电容达到最佳；
(3)将敏感的高频线布在远离高噪声电源线的地方；
(4)加宽电源线和地线以减少电源线和地线的阻抗。
2．2 分割
分割是指用物理上的分割来减少不同类型线之间的耦合，尤其是通过电源线和地线。
图2给出了用分割技术将4个不同类型的电路分割开的例子。在地线面，非金属的沟用来隔离四个地线面。L和C作为板子上的每一部分的过滤器．减少不同电路电源面间的耦合。高速数字电路由于其更高的瞬时功率需量而要求放在电源入口处。接口电路可能会需要静电释放(ESD)和暂态抑制的器件或电路。对于L和C来说，最好使用不同值的L和C，而不是用一个大的L和C，因为这样它便可以为不同的电路提供不同的滤波特性。