浅谈PCB设计中的电磁兼容问题

李延庆，马勇

（1.西安兰德新能源汽车技术开发有限公司，陕西 西安 710043；2.陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

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浅谈PCB设计中的电磁兼容问题

李延庆1，马勇2

（1.西安兰德新能源汽车技术开发有限公司，陕西 西安 710043；2.陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

本文简要的介绍了电磁兼容的相关概念，论述了PCB设计中常见的电磁兼容问题，然后分几个方面来讲了PCB的电磁兼容设计以及实际应用电路中的抗干扰设计。

PCB；电磁兼容；布局；抗干扰

CLC NO.:U463.6Document Code:BArticle ID:1671-7988(2014)11-01-03

引言

截止目前，电磁兼容问题一直是电子设备和产品研发过程中的一个核心问题，电磁兼容性影响着整个系统工作的可靠性以及稳定性。因此，电磁兼容性是电力设备能否正常工作的关键。所有电力设备的载体都是印制电路板PCB，它的性能直接关系到电子设备质量的可靠性。所以在印制电路板PCB的设计中，电磁兼容性设计的是否合理是改善PCB乃至整个系统性能的关键。为此本文介绍了PCB设计中的的电磁兼容问题，并通过从电路板的选取、元器件的选型布局、电源线地线的设计等方面来讲了PCB的电磁兼容该如何设计；最后从各电路模块的电磁兼容性能考虑，来具体分析怎样才能有效的抑制电磁干扰，来提高电路系统的可靠性以及稳定性。

1、电磁兼容（EMC）

EMC-Electro Magnetic Compatibility ，国际电工委员会标准IEC的定义是：系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作，同时不对其他系统和设备造成干扰。电磁兼容EMC包括两方面：电磁干扰EMI和电磁抗扰EMS。对于电磁兼容性，必须满足三个要素：

（1）电磁兼容需要存在某一个特定的空间。比如，大的，一个房间甚至宇宙；小的，可以是一块集成电路板。

（2）电磁兼容必须同时存在骚扰的发射体和感受体。

（3）必须在一定的媒体（耦合途径）将发射体与感受体结合到一起。这个媒体可以是空间，也可以是公共电网或者公共阻抗。

上述的三个基本要素必须都具备时才会发生电磁干扰。如果去除了其中之一，就不会发生电磁干扰。所以，工程师根据哪一个因素容易消除来降低或者去除电磁干扰。

2、PCB设计中常见的电磁兼容问题

PCB设计中的电磁兼容问题，应先了解PCB中各种电磁干扰的产生机理和传播途径，然后才能提出相应的解决方案。通常PCB中存在的电磁干扰有：传导干扰，辐射干扰和串音干扰。产生干扰的根源是电路中电压或电流的变换。

2.1 传导干扰

传导干扰主要通过导线耦合及共模阻抗耦合来影响其他电路。例如噪音通过电源电路进入某一系统，所有使用该电源的电路就会受到它的影响。噪音通过共模阻抗耦合的，电路与电路共同使用一根导线获取电源电压和接地回路，如果其中一个电路的电压突然升高，那么另一电路必将因为共用电源以及两回路之间的阻抗而降低。对于地回路也是如此。

2.2 辐射干扰

辐射干扰是由于空间电磁波的辐射而引入的干扰。PCB中的辐射干扰主要是电缆和内部走线间的共模电流辐射干扰。当电磁波照射到传输线上时，将出现场到线的耦合问题，沿线引起的分布小电压源可分解为共模（CM）和差模（DM）分量。共模电流指两导线上振幅相差很小而相位相同的电流，差模电流则是两导线上振幅相等而相位相反的电流。

2.3 串音干扰

串音干扰是一个信号线路干扰另外一邻近的信号路径。它通常发生在邻近的电路和导体上，用电路和导体的互容和互感来表征。

3、PCB的电磁兼容设计

PCB的EMC设计，主要从EMI和EMS两方面考虑。针对EMI的设计，要抑制源头、减少辐射和输入的干扰；针对EMS，要提高PCB板自身的抗干扰能力，遇到干扰，能削弱干扰或者能将干扰巧妙的导入大地。一个可靠的印制电路板既要考虑到EMI，又要考虑到EMS。一般需要注意以下几点：印制电路板的选取、元器件的选型及布局、印制电路板的布线设计、抗干扰设计等。

3.1 电路板的选取

电路板有单层板、双层板以及多层板。根据电路板的电源、地的种类、信号密度、板级工作频率、有特殊布线要求的信号数量，以及综合电路板的性能指标要求与成本承受能力，确定面板的层数；目前，高密度布线、高集成度芯片的高速数字电路一般采用四层或四层以上的多层板。要提高PCB的电磁兼容性，最有效的方法就是减小关键信号尤其是电源信号的回路面积。在多层板设计中，可设置专门的电源层和地层，使信号线与地线之间的距离仅为印制电路板的层间距离。这样，板上信号的回路面积就可以降至最小，从而有效减小差模辐射，提高线路板的抗干扰能力。

时钟频率到5MHZ或脉冲上升时间小于5ns，则PCB板必须采用多层板，多层板板层的排列原则为：元件下为地平面，提供器件屏蔽层以及为顶层布线提供参考平面；所有信号层尽可能与地平面相邻；尽量避免两信号层直接相邻；主电源尽可能与其对应地相邻；若信号线可以在电源/地层上进行布线，则首先应考虑用电源层，其次才是地层，因为最好是保留地层的完整性。四层板层叠顺序一般为信号层、地层、电源层、信号层；六层板层叠顺序为信号层、地层、信号层、地层、电源层、信号层。

选择电路板时尽可能选择基板材料的相对介电常数大的PCB，此类PCB特性阻抗小些。

3.2 电容的设计

电容的选择：一般电路中我们选择贴片式电容，不选择直插式电容。旁路电容和去耦电容，可通过所使用的时钟速度来计算所需电容器的自谐振频率，根据频率以及电路中的容抗来选择电容值。封装尺度尽量选择更低引线电感的SMT电容器，而不选择通孔式电容器。另外，产品设计也常常采用并联去耦电容来提供更大的工作频带，减少接地不平衡。并联电容系统，当工作频率高于自谐振频率时，大电容表现感性阻抗并随频率增大而增加；而小电容则表现为容性阻抗并随频率增加而减少，而且此时整个电容电路的阻抗比单独一个电容时的阻抗要小。

旁路电容一般作为高频旁路器件来减少对电源模块的瞬态电源要求，通常电解电容和钽电容比较适合做旁路电容，其电容值取决于PCB板上的瞬态电流要求，一般在10～470uF范围内，若PCB板上有许多集成电路、高速开关电路和具有长引线的电源，则应该选择大容量的电容。

去耦电容的配置：一般每个集成电路芯片都布置一个0.01pF的陶瓷电容；对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入去耦电容；电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线；CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源。

3.3 元器件布局

在印制电路板中对元件布局时，从频率考虑应先高频电路，然后中频电路，最后低频电路；从逻辑速度考虑，应先高速逻辑电路，再中速逻辑电路，最后是低速逻辑电路。

元器件布局时，注意以下几点可以避免许多电磁兼容问题：

（1）发热元件远离关键集成电路。最好将功率输出器件及电源等易发热元器件布置在PCB的边缘或偏上方部位以利于散热。

（2）敏感器件应远离CPU时钟发生器，同时在其周围的电源铜箔上蚀刻出马蹄形可提高隔离性。

（3）所有连接器应放在印制板的一侧，尽量避免从两侧引出I/O电缆，以便减小共模电流辐射。

（4）当引线长度大于噪声频率相应波长的1/20时，就会产生天线效应，因此高速器件在印制电路板上的走线应尽可能短，且尽可能远离连接器。输入输出（I/O）驱动器应紧靠连接器，避免I/O信号在板上长距离走线，耦合不必要的干扰信号。

（5）工作频率接近或工作电平相差大的元器件应相距远些，以免相互干扰，宜将时钟发生器、振荡器等易产生噪声的器件相互靠近布置，将有关逻辑电路部分尽量远离一些；

（6）电磁干扰（EMI）滤波器要尽可能靠近EMI源，并尽可能放在同一面线路板上。

3.4 电源线和地线的设计

电源的设计：在PCB设计中，电源网络、地网络如果布局布线不合理容易引起干扰，使产品性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。为了降低电源、地线所产生的噪声干扰，尽量按照以下方式来布设：

第一，电源和地线之间加上去耦电容。

第二，尽量加大电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线>电源线>信号线。通常信号线宽为0.2～0.3mm；电源线为1.2～2.5mm。

地线的设计：数字与模拟地分开，若线路上既有逻辑电路又有线性电路，应使他们尽量分开。低频电路的地应尽量采取单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地，高频电路的地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铜箔。接地线应尽量加粗，使它能通过3倍于PCB板上允许的电流，如有可能接地线应在2～3mm以上。如接地线较细，则接地电位随着电流的变化而变化，使抗噪性能降低，因此应将接地线加粗。另外，只由数字电路组成的印制板，其接地线构成闭环路能提高抗噪能力。

4、实际电路中的抗干扰设计

进行电路设计之前，应先熟悉所用元器件的电磁兼容性能。选好元器件并熟悉它们的高频性能是进行电磁兼容设计的第一步，在这些元器件与产品的电磁兼容性有关时更应注意选择已经验证过的产品。

从电磁兼容角度来看电路，电路可以分成如下几个功能模块：

（1）产生电磁干扰的电路，如数字电路、微处理器及外围电路、开关电源等；

（2）需保护不受干扰的电路，如小信号处理电路、A/D转换电路的模拟输入与转换部分；

（3）与干扰无关的电路，如无元器件组成的网络、负载等；

（4）接口电路，通常干扰通过这些接口输入或输出电路。

按照电磁兼容的性能划分好电路模块后，就可以根据不同的电磁兼容的类别采取不同的措施。对于易产生干扰的电路可采取减小干扰或者隔离干扰电路的措施。本身不产生干扰，但是对干扰又敏感的电路应与干扰电路隔离开来。与干扰无关的电路根据实际情况布，可以不做重点考虑。接口电路需要特别小心，要增加抗干扰的防护措施来防止外界的干扰，同时也要避免将干扰信号传到外面。

一般最好将产生干扰的数字电路与容易受干扰影响的模拟电路分区布局布线，最好能用隔离带分割。模拟电路一般容易受干扰，所以将其敏感导线的长度尽量缩短以提高抗干扰性能。每个模拟电路与数字电路的连线应经过隔离滤波器，对线上的干扰提供足够大的衰减。

5、总结

PCB设计中的抗干扰是一项实践性较强的技术工作，且必须理论联系实际，才能有效的解决实际问题，所以PCB设计人员必须具备一些电磁兼容相关方面的知识。良好的PCB设计可以会有效的抑制一些干扰，大幅度提供系统的抗干扰能力，从而提高系统的可靠性。

[1] 刘小宁.PCB的电磁兼容设计[M].科技信息.

[2] 王振华, 张学平.电磁兼容技术在PCB抗干扰设计中的应用[J].中国无线电, 2006,(2):60-63.

[3] 俞海珍, 冯浩.电磁兼容技术及其在PCB设计中的应用[J].电子机械工程, 2004, 20(2):1-3.

[4] 陈穷，蒋全兴，柳光福等.电磁兼容性工程设计手册[M] .北京：国防工业出版社，1993.

An Outline for the PCB EMC design

Li Yanqing1, Ma Yong2
(1.Xi’an Lande New Energy Vehicle Technology Development Co., Ltd., Shanxi Xi’an 710043;
2.Shanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shanxi Xi’an 710200）

This paper introduces the concepts of Electromagnetic Compatibility, then discusses the common PCB design electromagnetic compatibility, and from several aspects The PCB EMC design, and practical application in terms of anti-jamming circuit design.

PCB; electromagnetic compatibility; layout; interference

U463.6

B

1671-7988(2014)11-01-03

李延庆，就职于西安兰德新能源汽车技术开发有限公司。