印制电路板的电磁兼容设计

矫建法

摘 要

随着电子技术的迅速发展，各类电子产品的种类和数量不断增多，功能也越来越齐全，印制电路板（PCB）的集成度也逐渐提高，凸显出了电磁兼容性的问题，要想让电子电路运行达到最佳效果，对电磁兼容设计进行深入考虑十分必要。本文基于上述背景，对PCB板的电磁兼容设计进行了研究，希望能为设计人员提供借鉴。

【关键词】印制电路板 电磁兼容 设计

电磁兼容是指电气系统、电子设备装置在预定的安全界限和电磁环境内，设计的性能工作水平不会因电磁感染而导致功能降级。即要求在同一电磁环境下，各种电路设备和电子系统均能顺利运行但又不相互干扰，保持良好的兼容状态。目前PCB板广泛应用于各类电子设备和系统的装配中，若设计不当，即使电路原理正确，也会对兼容的可靠性造成影响，因此对电磁兼容性进行设计，保证PCB板的稳定兼容是整个电路系统设计的核心环节。

1 PCB板板层设计与电磁兼容

1.1 选取合适的PCB板

PCB板可分为单面、双面和多层板：

（1）单面和双面多用于中低密度布线或低集成度的电路，出于制造成本的考虑，大部分民用电子设备均是采用单面或双面板。但这两种结构自身产生的电磁辐射较强，对外界的干扰极为敏感。

（2）多层板在高密度布线和高集成度芯片电路中较为常用，若信号频率高且电子元器件密集，尽量选择四层及以上的PCB板。在多层板设计中可专门设置电源层和接地层，缩短信号线与地线的距离，这样就能大幅度减小所有信号的回路面积，从电磁兼容角度考虑，多层板可有效减少辐射，并提高PCB板抗外界干扰能力。

1.2 单面板设计

单面PCB板工作频率通常为只有几百千赫兹的低频，低频限制主要是因为许多高频电路的设计条件被限制，例如缺乏完整闭合所需要的射频电流回路和控制条件，线条集肤效应明显等，磁场和环路天线的问题无法避免。因此单面PCB板对外界射频干扰极为敏感，例如静电、快脉冲、辐射或传导射频等。在单面PCB板设计中通常不对信号完整性和终端匹配进行考虑，可从电源和接地线设计开始，然后设计高风险信号，并紧靠接地线，物理原则上越近越好，最后再进行其余线条的设计。具体设计措施如下：

（1）电源和接地线确定沿着最关键电路信号网络中的电源盒接地点；

（2）将线路划分为功能子段布线，并着重考虑到敏感元器件和相关I/O端口和连接器的设计要求；

（3）最关键信号网络的所有元器件需邻近放置；

（4）若PCB板需要多个接地点，要确定接地点相互连接在一起，并对连接方式进行设计；

（5）布设其余线条时，若线条承载RF频段的能力较多，则需采取通量最小化的设计方式，并确保RF回流路径始终畅通。

1.3 双面板与多层板设计

（1）关键电源平面需邻近对应的地平面，形成耦合电容，与PCB板退耦电容配合可共同降低电源平面阻抗，同时可获得良好的滤波效果；

（2）邻近层关键信号禁止跨越分割区，避免信号环路增大，从而减少强辐射，降低干扰敏感度；

（3）时钟、高频、高速这些关键信号需设计一个相邻的地平面，例如与地线层相邻的信号层可作为信号走线的优选层，从而减少信号环路面积，屏蔽辐射；

（4）电源平面需小于地平面，通常遵循20H原则向内缩进。

2 PCB板元器件布局

元器件布局首先应考虑到电路系统的机械结构，将所有定位严格的元器件放置好并进行定位锁定，若器件质量较大则不能直接在PCB板上安装，需在机壳上另设支架。考虑到电磁兼容性，元器件布局需遵循以下设计原则：

（1）发热元件需设置在偏上方或边缘部位，与关键集成电路保持距离，便于散热；

（2）连接器和引脚需根据元件在PCB板上的位置确定稳固，最好在PCB板的同一侧安放，两侧避免引出电缆，减少共模电流辐射；

（3）对外界干扰敏感性高的元件需进行隔离设置；

（4）高频状态下，电阻、电容、引线和接插件的分布电容与电感会对PCB板造成很大影响，因此频率>10Mhz或上升时间<2ns的高速器件走线要尽可能短；

（5）连接器需紧靠I/O驱动器，避免长距离走线耦合不必要的干扰信号；

（6）集成电路退耦电容引线需尽量短，并尽量紧靠IC电源引脚，可使用表贴封装电容。

3 PCB板电磁兼容布线设计

PCB板布线应先从时钟和感应信号线路入手，然后再加装高速信号线路，最后完成非必要性布线。在布线设计时需注意以下几点：

（1）将减少辐射影响作为布线设计的基准，选择多层板，在内层设计电源和底线，这样可减少对供电设备的影响和阻抗产生的噪音，且信号线路能与地板连接，提高信号线路与地面的分散电容，对PCB板的空间辐射能力进行控制；

（2）要降低高频信号对外部的融合，可采用布线折线的方法，折线无需90°，但PCB板尽可能采用45°；

（3）时钟、模拟电压输入线以及参考的电压段需与数字电路信号线保持一定距离。

（4）为了减少高频信号经过印制导线时产生大量电磁辐射，必须进行抗干扰保护环布线设计，具体如图1所示。

4 结束语

合理分层、布局和布线是PCB板电磁兼容设计中需要着重考虑的问题，本文对PCB板电磁兼容设计的几种方法进行了分析，并提出了控制自身空间辐射、减少干扰影响的简要措施。随着PCB板制造工艺和电磁兼容学的逐步发展，在未来的设计中还需考虑到反射噪声、退耦电容等方面引起的干扰，在实践工作中不断摸索，解决电磁干扰问题。

参考文献

[1]谢奕钊.关于印制电路板的电磁兼容设计分析[J].电子测试，2016（14）：18-19.

[2]吴玮玮.印制电路板设计[J].电子制作，2015（08）：17-17.

[3]邵晓燕.印制电路板（PCB）设计中的干扰因素解析[J].科技与企业，2016（05）：219-219.

作者单位

辽宁有线电视网络传输有限公司 辽宁省沈阳市 110016