电磁兼容PCB

PCB的EMC设计

PCB是构成电子设备的基础，保证PCB的电磁兼容性是整个系统设计的关键，

合理正确的PCB的布线和设计应该使得:

(l)板上的各部分电路相互间无干扰，都能正常工作;

(2)PcB对外的传导发射和辐射发射尽可能降低，达到有关标准要求;

(3)外部传导干扰和辐射干扰对PCB上的电路基本无影响。

1.1 PCB设计理论基础

1.电磁兼容设计的带宽

在数字电路系统中，电磁兼容设计的带宽与数字电路的工作频率是两个不同的概念，数字系统的工作频率是由信号的重复周期决定的，而电磁兼容性设计的带宽是由信号的上升沿、下降沿决定。器件对电磁辐射的贡献不是取决于系统的工作频率，而是取决于边沿速率。理论研究表明,在进行电磁兼容设计时，主要考虑信号上升沿的十倍频，如公式4一1所示。

式中fmax为谐波频率，fr为需要考虑的电磁兼容性的带宽。

快速的信号切换时间(边沿速率)将导致回流、串扰、阻尼振荡(振铃)及反射等问题的增加。信号的边沿速率与信号的工作频率是两个不同的概念，高的边沿速率不一定是高的频率。例如在实际的应用中，可能系统的工作频率并不高。但如果信号的上升速率过快的话，将会产生较大振铃现象，同样会带来信号完整性的问题。当振铃信号达到器件所能容忍的极限值时会使器件内部的半导体

特性发生变化(电子迁移)、器件发热及功耗加大等现象，造成系统的可靠性降低，并且较快的边沿速率其功耗也越大。

信号的边沿速率与器件的输出强度(输出驱动电流)有直接的关系，过强的输出驱动电流除了能够提高信号的边沿速率之外，还会对周围的器件及传输线造成干扰(Crosstalk)。因此对电磁兼容性(EMI)非常敏感的系统，信号边沿速率是重点需要考虑的，而系统的时钟频率反而放在第二位考虑。

2.器件的分布参数

系统工作在低频情况下，电阻、电感、电容主要表现为集总参数，但当系统的工作频率较高时，元器件特性就较为复杂，这时候的元件就有很大的分布参数存在，比如分布电感、分布电容、分布互感、分布互电容等。在高频情况下电阻、电感、电容的等效电路如表4一1所示:

所以在高频PCB设计时，必须考虑导线等的分布参数，只有这样设计的PCB，才可以达到EMC设计的目的。

3.PCB的辐射原理

信号通路和它的回路通道之间的位移电流以及负载电流，形成了回路阻抗上的电压，这个电压产生了成为主要辐射源的共模电流。由于位移电流是在线电容充放电期间形成的，因此它的分布是不均匀的:在线的源端，它有最大值;而在负载端则为零。正是由于共模电流的存在，导致了PCB辐射的存在。

PCB上每一根走线和每一个元器件都存在天线辐射效应，辐射效应与芯片的尺寸成反比，而与工作电流环路尺寸和工作电流以及工作频率成正比。降低系统的工作频率，减小环路的面积，以及减小工作电流的突变是解决天线辐射效应的有效途径。

4.PCB布线的理论依据

在进行多层PCB布线时，首先要进行PCB的电磁兼容性分析。分析的基本原理是基尔霍夫定律和法拉第电磁感应定律。

(l)基尔霍夫定律

基尔霍夫定律表明，任何时域信号的传输都必须有一个完整的电路，而信号从源到负载的传输都必定沿着一个最低阻抗的路径。这个原理完全适合于射频电流的情况，如果射频电流不是经由设计中的电路到达负载的，那么就一定是通过某个客观存在的电路到达的，这个客观存在的电路多数是由一些分布的藕合元件连接的，构成这一非正常电路中的一些器件就会遭受电磁干扰。

(2)法拉第电磁感应定律

根据法拉第电磁感应定律，任何磁通变化都会在闭合电路中产生感生电动势，任何交变电流都会在空间产生电磁场。在数字电路设计中，人们最容易忽略的是存在于器件、导线、PCB走线和插头上的寄生电感、电容和导纳。

图4一2采取20一H规则后，RF能量辐射

(3)20一H规则

由于电源层与地层之间的电场是变化的，在板的边缘会向外辐射电磁干扰，称为边缘效应，如图4一1所示。可以将电源层内缩，使得电场只在接地层的X围内传导。为了减小边缘效应，要求所有的电源平面在物理尺寸上都比其临近的地平面小20H(H为电源平面和地平面之间的距离)，这就是20一H规则。若在布局布线时，遵循20一H规则，可以将电源对附近电路的藕合能量降低70%，当这个距离达到100H时，可以把辐射能量降低98%以上。当使用20一H规则后，板的边缘效应明显降低，如图4一2所示。

在数字电路子系统和模拟电路子系统的地分离的情况下，每个子系统内也要采用20一H规则，如图4一3所示，模拟地和数字地加“沟”进行隔离。

图4一3子系统的20一H规则

(4)3一W规则

为了减少线间串扰，应保证线间距足够大，当线中心距不小于3倍线宽时，则可保证70%的电场不互相干扰，称为3一w规则，其中w为线的宽度。布线的3一W规则如图4一4所示，3一W规则有助于设计的PCB满足EMC系统设计标准，并最大限度地减小PCB走线之间的藕合，如要达到98%的电场不互相干扰，可使用10一W规则。

图4一4布线间距的3一W规则

1.2PCB的分层规则

混合信号电路PCB的设计很复杂，元器件的布局、布线以及电源和地线的处理将直接影响到电路性能和电磁兼容性能。权衡系统的成本与EMC的设计要求，选择合理的布线层数。目前电路板己由单层、双层、四层板逐步向更多层电路板方向发展，多层PCB设计是达到电磁兼容标准的主要措施，在进行PCB分层设计时，要遵循以下规则:

1.关键电源平面与其对应的地平面相邻。电源平面的阻抗比地平面阻抗高，将电源平面与地平面相邻可形成祸合电容并与PCB板上的去祸电容一起降低电源平面的阻抗，同时获得较宽的滤波效果。研究表明，门的反转能量首先是由电源与地平面之间的电容来提供，其次才是由去祸电容决定[24]。同时地平面还可以对电源平面上的分布电流起到辐射屏蔽作用。

2.参考面应优选地平面。电源、地平面均能用作参考平面，且都具有一定的屏蔽作用。但相对而言，电源平面具有较高的特性阻抗，且与参考地电平之间存在较大的电位差，其屏蔽效果远低于地平面。

3.数字电路与模拟电路分层。在设计成本允许的情况下，最好把数字电路和模拟电路安排在不同的层上。如果必须要安排在同一个布线层上，则可以采用开沟、加接地线条、分割线等方法补救。模拟与数字的电源和地一定要分开，绝不能混用。

4.相邻层的关键信号走线不跨分割区。信号跨区将形成较大的信号环路，产生很强的辐射。如果在地线分割的情况下，信号线必须要跨区，可以先在被分割的地之间进行单点连接，形成两个地之间的连接桥，然后通过该连接桥布线，如图4一5所示。这样，在每一个信号线的下面都能够提供一个直接的电流回流路径，从而使形成的环路面积很小。

图4一5桥上布线跨越数字地和模拟地

5.元件面下面有相对完整的地平面。对多层板必须尽可能保持地平面的完整性，通常不允许有信号线在地平面内走线。当布线密度太大时，可考虑在电源平面的边缘走线。

6.高频、高速、时钟等关键信号有一相邻地平面。这样设计的信号线与地线间的距离仅为PCB层间的距离，因此实际的电流总在信号线正下方的地线流动，形成最小的信号环路面积，减小辐射。

7.遵循20一H规则。为了避免电源平面层向自由空间辐射能量，所有的电源平面必须小于地平面，并向内缩进20H。为了更好地执行20一H规则，就要使电源和地平面间的厚度尽可能小。

1.3PCB的布局规则

忽视PCB布局将对产品的设计周期和后期解决EMI问题带来了不利。采用合理的PCB布局技术与系统化的设计方法，使PCB的传导发射和辐射发射尽可能降