电路板级的电磁兼容设计

海军701厂 薛 璐

现代军事电子装备日益复杂，其电磁兼容（EMC）设计在装备中的作用越来越重要。当一个系统的多个元件或设备在同一环境中工作时，就会产生电磁干扰（EMI），并且元件和设备越多，EMI的机率越大，即使看起来很小的EMI，也会造成严重的事故或是可靠度变差。

在设计阶段，对潜在的EMI采取的措施要比在设备使用后再补救所花费的成本小得多。所以，抑制EMI应从电子设备制造的初级阶段开始，从印制电路板（PCB）的设计着手。即从元件的选择，元件的布局，电源布线，信号布线及地线设计等方面提高部件间可靠性，从而较好的实现EMC。

一、元件的选择

元件选择的一般原则：

1.低辐射：大部分数字集成电路（IC）制造商提供具有较低辐射的胶合逻辑产品（胶合逻辑产品指的是连接不兼容的复杂电路的简单逻辑电路）。

2.传输线匹配I/O：IC输出引脚必须匹配高速信号的传输线。例如当驱动一个25Ω的并联终端负载时，就可以使用总线驱动器。

3.低输入电容：低输入电容有助于降低逻辑器件的状态变化时的电流峰值，因此可以减小磁场辐射和地返回电流。

4.铝电解电容可能发生几微秒的暂时性介质击穿，因而在纹波很大或有瞬变电压的电路里，应该使用固体电容器。

5.使用寄生电感和电容量较小的电阻器。片状电阻器可用于超高频段。

6.大电感寄生电容大，为了提高低频部分的插入损耗，不要使用单节滤波器，而应该使用若干小电感组成的多节滤波器。

7.使用磁芯电感要注意饱和特性，特别要注意高电平脉冲会降低磁芯电感的电感量和在滤波器电路中的插入损耗。

8.用于敏感电路的电源变压器应该有静电屏蔽，屏蔽壳体和变压器壳体都应该接地。

9.有引脚的元件有寄生效果，因此引脚的长度应尽可能的短。而无引脚且表面贴装的元件的寄生效果要小一些。从电磁兼容性的观点看，表面贴装元件效果最好，其次是放射状引脚元件，最后是轴向平行引脚的元件。

二、元件的布局

尽可能缩短高频元件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的EMI。易受干扰的元件不能相互挨得太近，输入和输出元件应远离。输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行，最好加上线间地线，以免发生反馈耦合。如：同相放大器的输入输出端一但靠近，在它们之间就会产生寄生电容。这样，由于该电容而形成了输出返回到输入的正反馈环路，最终引起振荡。这种振荡与输入信号无关，即使在没有输入时也会发生。振荡频率由同相放大器的电路结构和寄生电容的大小等因素决定。实际上，大部分为1MHz以上。随着寄生电容的大小变化，不仅产生电路的振荡，甚至发生工作不稳定和特性变坏的情况。而在反相放大器中，由于米勒效应引起高频特性变坏。设反相放大器的增益为A，输入输出间的寄生电容为C。由于米勒效应，从输入端可以看成输入与地之间加入了(A+1)C的电容。如果信号源电阻Rg非常低，则是可以的。但是，如果Rg很高，则该Rg与米勒电容(A+1)C就会形成LPF(低通滤波器)，使得高频特性下降。因此，无论是正相放大器还是反相放大器，其输入输出端都不允许靠得太近，特别在增益高或在宽带放大器中更要特别注意。不仅对于一级放大器，对于多级放大器也同样要注意这个问题。

三、电源布线

1.电源布线产生的EMI

电源布线会产生分布电容、分布电感、分布电阻。PCB上供电电源通常为直流电源，供电的主要目的是为PCB上的每个用电元件提供一个准确的电压。而电源所驱动的负载常具有瞬态变化的特性，受分布阻抗的影响，负载电压或电流的瞬态变化会引起电源电压或电流发生瞬态变化，这如同在电源的负载端接上一个瞬态变化的信号源。特别是在高频，有的器件工作在数字开关状态，这一现象更为突出。这样电源布线既含有直流电压，又含有瞬态变化的电压(称为寄生电压)，瞬变电压会产生高次谐波，其都是产生EMI的主要来源。

2.电源布线的防干扰措施

(1)电源平面法

利用PCB的一层作为电源平面层，至少有一层作为地平面，每一层只能提供一种电源电压，通过PCB上的过孔将电源电压引到器件上。这种做法使电源布线分布阻抗非常小，电路压降小，器件上能得到稳定的直流电压。同时平面间靠得很近，能较好地抑制电场耦合。且电源平面往返电流大小相等，磁场干扰能抵消。

(2)共地平面法

这个地作为电源及电子器件的公共地，高频布线设计中，电流的返回路径对系统的影响比较大，由于是平面地，电源及所有信号(包括发送和接收)返回路径的附加阻抗非常小，压降可忽略，各器件上就能得到稳定的电源电压。同时，所有的电源去线与信号线都与平面地成镜像关系，形成的电流也是镜像电流，EMI耦合得到较好地抑制。

(3)电源母线法

这种布线设计可分别提供几种电压。布线的条数由器件的多少而定。这种布线要达到以下要求：

(1)布线要宽。

(2)加去耦电容。这种电容起到旁路滤波的作用。要在电源的输入端并联较大的和较小的滤波电容。在高频时，实际的电容器相当于带通滤波器，它可等效为电感、电阻和电容的串联，较大的和较小的电容并联使用，目的是增加旁路滤波的带宽。同时，在每一个有源器件的电源引脚与地之间也要并联一个电容器，这个并联电容相当于噪声滤波器，能滤掉高频谐波噪声。

(3)地线环绕，作为母线中的地线可以不等宽，但宽窄过渡要平滑，以避免产生噪声，地线要靠近供电电源母线和信号线，因电流沿路径传输会产生回路电感，地线靠近，回路面积减小，电感量减小，回路阻抗减小，从而减小EMI耦合。

四、信号布线

信号布线同样有分布电感、分布电容和分布电阻，它们代表了干扰耦合路径的分布参数，这些分布参数随信号频率的增加而增大。

只要两条线有电位差，两条线间就会存在电场。假设三条导线，A、B分别为信号线，D为地线，C-AD为A的分布电容，若A的电位比B的高，B处在A的某个或某些等位面上，A中的电位就会与B发生耦合，这种电场耦合为容性耦合。同理B与A也可能产生这种耦合。抑制容性耦合的方法：一是要增大两布线导线间的距离(大于干扰信号最大波长的四分之一)，二是要减小信号线与地之间的距离。

若A、B两导线靠近，当导线A中有电流时，它的周围就存在着磁场，磁感线就会有一部分环绕到导体B组成的回路中，B回路就被感应出感生电流，这种磁场干扰耦合属于感性干扰(互感)耦合。同时，若A导线中的电流发生变化，还会存在自感，也会产生感性干扰(自感)耦合。抑制感性干扰耦合的方法：一是增大信号线与信号线之间的距离，以减小互感，原因是互感系数与距离成反比。二是减小信号线与地之间的距离，以减小信号线与地之间围成的磁通面积。减小线地距离外，还应尽量避免信号线的平行布设。

五、地线（GND）设计

1.正确选择单点接地与多点接地。

在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，可以应采用单点接地的方式。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1MHz～10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。

2.数字地与模拟地分开。

电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地；高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗。高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔，要尽量加大线性电路的接地面积。

3.接地线应尽量加粗。

若接地线用很细的线条，则接地电位会随电流的变化而变化，致使电子产品的定时信号电平不稳，抗噪声性能降低。因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三倍于PCB的允许电流。如有可能，接地线的宽度应大于3mm。

4.接地线构成闭环路。

设计只由数字电路组成的PCB的地线系统时，将接地线做成闭路可以明显地提高抗噪声能力。其原因在于：PCB上有很多集成电路元件，尤其遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地线上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降；若将接地线构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。

六、结束语

EMC已成为线路设计所面临的主要问题之一。由于干扰产生的原因多种多样，干扰的强弱、影响的程度也是千差万别，所以，PCB布线设计中的抗干扰是一项实践性非常强的技术工作。良好的PCB设计可以大大提高系统的抗干扰能力，从而提高系统可靠性。

[1]【美】曼特罗斯(Montrose,M.I.),吕英华,等.电磁兼容的印制电路板设计[M].北京:机械工业出版社,2008.

[2]赵家升,等.电磁兼容原理与技术[M].北京:电子工业出版社,2012.

[3]顾海洲,马双武.PCB电磁兼容技术-设计实践[M].北京:清华大学出版社,2004.