摘要：在产品的电磁兼容性分析与设计中，PCB的电磁兼容性设计是整个产品的设计基础，常常成为一个新的电子系统或设备成败的关键。本文研究PCB电磁干扰问题产生的原理和本质，对PCB电磁干扰中的传导干扰、辐射干扰的研究，印制线串扰三个方面进行研究，针对每一类干扰所应采取的解决措施和抑制方法。
关键词：磁兼容性；电磁干扰；PCB；抑制方法
1、引言
PCB板是电子设备、系统中各种电子元器件的载体，提供了电子器件的连接。近几年随着电子设备的迅速发展，数字电路的速度越来越快，PCB的元器件密度也越来越高，从而产生了特殊的电磁兼容性问题。PCB的电磁兼容性设计常常成为一个新的电子系统或设备成败的关键。通常这一类问题不容易解决，主要是因为：
（1）一般干扰引起的故障都是以干扰对出现，即干扰源和感受器，两者之间存在耦合途径，干扰产生的故障表现在感受器上，其根源是干扰源及干扰途径，寻找故障时往往追溯干扰源，这主要通过分析干扰机理。
（2）电磁耦合大部分是分布参数，如分布电容、分布电感的耦合，这些分布参数没有标称值，也没有实物存在；如果存在的电磁干扰是偶然的电磁脉冲，捕捉这些干扰脉冲比较困难；有时故障点与干扰源相距甚远，这些都增加了分析故障机理的难度。
（3）引起故障的干扰信号波形是若干波形的叠加。对于线性叠加，只是不同干扰源对总干扰波形的贡献大小不同，消除干扰主要是寻找主要干扰源。而如果干扰通过非线性器件，叠加将形成新的频率。进一步增加了寻找干扰源的困难。
（4）一些可靠性问题，实际上却是由电磁兼容性干扰引发，导致元器件失效。例如电磁尖峰和浪涌，导致元器件过电压或过电流，使器件损坏。
（5）在PCB上，布线、元器件密集，不容易对故障进行定位。
因而，结合电磁兼容技术，研究PCB电磁干扰的产生原因和应对方法对电子设备的设计具有重要意义。由于PCB中的电磁干扰可以分为三类：传导、辐射、串扰。本文将分别对这三类干扰进行讨论。
2、PCB传导干扰的研究
传导干扰主要通过导线耦合及共模阻抗耦合来影响其它电路。电源线和地线的干扰就属于传导干扰。
以一个典型的TTL门电路为例，在其在进行状态切换时，会有一段时间上下两个二极管同时导通，这时在电源和地之间形成了短暂的低阻抗，产生30-100毫安的尖峰电流。当门输出从低变为高时，电源不仅要提供这个短路电流，还要提供给寄生电容充电的电流，使这个电流的峰值更大。由于电源线总是有不同程度的电感，因此当发生电流突变时，会产生感应电压。这就是在电源线上观察到的噪声。由于电源线阻抗的存在，也会造成电压的暂时跌落。
在当电源线上产生上述尖峰电流的同时，地线上必然也流过这个电流，特别是当输出从高变为低时，寄生电容要放电，地线上的峰值电流更大（这与电源线上的情况正好相反，电源线上的峰值电流在输出从低变为高时更大）。由于地线总是有不同程度的电感，因此会感应出电压。这就是地线噪声。地线和电源线上的噪声电压不仅会造成电路工作不正常，而且会产生较强的电磁辐射。
当电源、地线的电流在瞬态出现变化时，由于有电感和电容的作用，在电源、地线上将出现干扰，如图1所示。
关于上述图形的说明：
ICC为电源线上的电流。在输出状态不同时，ICC幅值是不同的。输出稳定时，电流也是稳定的。当输出从低变为高时，由于瞬间短路，电流增加，同时需要给电路中的寄生电容充电，电流更大。当输出从高变为低时，由于瞬间短路，电流增加，但不需要给电路中的寄生电容充电，因此电流较输出从低变为高时为小。
VCC为电源线上的电压：当电流ICC发生突变时，由于电源线的电感L，VCC会有感应电压Ldi/dt产生。
Ig为地线上的电流：Ig是电源线上的电流与电路中寄生电容放电电流之和。在输出稳定时，电流也是稳定的。当输出从低变为高时，由于瞬间短路，电流增加。当输出从高变为低时，由于瞬间短路，电流增加，同时由于电路中的寄生电容放电，因此电流峰值较输出从低变为高时更大。
图1 电源线、地线噪声电压波形
Vg为地线上的电压：当电流Ig发生突变时，由于地线的电感L，Vg会有感应电压Ldi/dt产生。
当传导干扰的幅度超过了器件的噪声容限后，就会使数字电路产生误动作。例如下面的电路（图2）：
图2 数字电路
当门1的输出从高变为低时，寄生电容通过门1放电，很大的地电流流过地线阻抗，在门2的地线上形成地线电压，由于门2输出低电平，这个电压直接反应到门2的输出端，成为门4的输入信号。当幅度超过门4的噪声门限时，导致门4误动作。
地线上的这些干扰不仅会引起电路的误操作，还会造成传导和辐射发射。为了减小这些干扰，应尽量减小地线的阻抗。
3、PCB辐射干扰的研究
PCB电磁兼容设计的目的，除了保证电路工作可靠以外，一个主要的目的就是减小线路板的电磁辐射，保证设备在较低的屏蔽效能下满足有关标准的要求。由于一个电路的电磁辐射和接收的能力往往是一致的，即一个电路的电磁辐射效率高，往往接收效率也高。因此，在设计中抑制线路板的电磁辐射，同时也就提高了线路板的抗干扰能力。
线路板的辐射主要来自于两个源，一个是PCB走线，另一个是I/O电缆。根据辐射驱动电流的模式，辐射分为差模辐射和共模辐射两种（如图3）。
差模辐射：电路工作电流在信号环路中流动，这个信号环路会产生电磁辐射。由于这种电流是差模的，因此信号环路产生的辐射称为差模辐射。
共模辐射：当传输信号的导体的电位与邻近导体的电位不同时，在两者之间就会产生电流。即使两者之间没有任何导体连接，高频电流也会通过寄生电容流动。这种电流称为共模电流，它所产生的辐射称为共模辐射。在电子设备中，电缆的辐射主要以共模辐射为主。
图3 共模辐射与差模辐射
由于共模电压都是设计意图之外的（除了电场波发射设备以外，没有任何设备是靠共模电压工作的），因此共模辐射比差模辐射更难预测和抑制。
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4、印制线串扰的研究
发生串扰的主要原因是在干扰源的印制线与被干扰的印制线之间有分布的电感和耦合的电容。干扰源通过串扰对其他电路产生影响，从而影响电路功能的实现。
控制线条之间的距离是避免发生串扰的最好方法，通常要满足3-W原则，所谓3-W原则是指两根印制线的中心距大于或等于3倍印制线的宽度时，即线间距是2倍线的宽度，可以有效地减少信号之间的耦合，使信号有较“干净”的回流路径。一般对高速时钟线、控制线使用3-W原则，高速总线则不强求使用3-W原则。另外需要注意的是当印制线跨越分割地平面时，串扰将增大。
另外一种方法是使用差分传输线对关键信号进行传输。
5、PCB电磁干扰的解决措施
5.1 PCB传导干扰的抑制
抑制传导干扰，有三点需要注意：（1）在门电路之间采用低阻抗的地连接。（2）任何两个门电路的电源引脚之间的阻抗应该与引脚的阻抗一样低。（3）在电源和地之间必须有一条低阻抗路径。
对于低频电路，电源在低频时提供低阻抗，对于高频，实际设计多采用旁路电容、解耦电容提供低的阻抗。
5.2 PCB辐射干扰的抑制
（1）差模干扰的抑制
从前面差模辐射的计算公式中可以得出减小差模辐射的方法：
减小差模电流I：在保证电路功能的前提下，尽量使用低功耗的芯片。当较长的导线上有较大的电流时，用缓冲器减小电流。
降低频率f：当电路功能允许时，尽量使用低速芯片。当然，高速的处理速度是所有软件工程师所希望的，而高速的处理速度是靠高速的时钟频率来保证的，因此降低电路频率的做法在许多场合是受到限制的。关于降低电路的频率，要用如下的概念来理解：（1）延长上升时间：在保证一定的脉冲重复频率的条件下，延长脉冲的上升时间，可以减小不必要的高频成分，这从脉冲信号的频谱包络线上可以看出。（2）滤除1/tr频率以上的频率：脉冲信号的主要能量集中在1/tr频率以下，只要这部分能量保留下来，电路的工作就不会受影响。1/tr频率以上的成分虽然对电路工作没有作用，但是却产生最强的辐射，这从脉冲信号差模辐射的包络线可以看出。因此，可以用适当的低通滤波器滤除1/tr频率以上的成分。
控制差模电流的环路面积：通过以上的讨论，减小电流、降低频率等方法在实践中都有一定的局限性。最现实而有效的方法是控制信号环路的面积。通过减小信号环路面积能够有效地减小环路的辐射。控制信号环路面积从两个方面入手，一个是在选用芯片时尽量选用大规模集成电路，表面安装形式的芯片，不使用安装座等，另一方面，在线路板布线时，尽量控制信号回路的面积。线路板设计的一项主要内容就是控制信号回路的面积。
（2）共模干扰的抑制
共模辐射的效率远远高于差模辐射。如果假设差模电流的回路面积10cm2，载有共模电流的电缆长度是1m，电流的频率50MHz，令共模辐射的电场强度等于差模辐射的电场强度，那么差模电流将是共模电流的1000倍。从共模辐射的公式中很容易看出控制哪些参数可以减小电缆的共模辐射：
控制电缆长度：在满足使用要求的前提下，尽量使用短的电缆。但电缆长度往往受到设备之间连接距离的限制，不能随意缩短。
减小共模电流：这是最重要的一个内容。减小共模电流可以通过下面几个方法。（1）增加共模电流环路的阻抗：在共模电压一定的情况下（共模电压与线路板设计、电缆布置、机箱结构等因素有关），增加共模电流路径的阻抗可以减小共模电流。采用共模扼流圈就是达到这个目的的方法之一。（2）减小共模电压阻抗：当共模回路阻抗一定时，减小共模电压就可以减小共模电流。但是共模电压产生的机理十分复杂，没有丰富的电磁兼容知识，很难搞清共模电压是那里产生的。一般通过在线路板的I/O接口部分设置干净地、对机箱内的I/O电缆屏蔽、使机箱内的I/O电缆长度尽量短等方法可以降低共模电压。
降低电缆上的高频共模电流：可以通过使用共模低通滤波器来实现。但是，共模滤波器往往对差模信号也有一定的影响，当差模信号的信号频率较高时，不能够有效地滤除高频共模电流。共模扼流圈是唯一对差模信号影响很小的共模滤波器件，但是其效果往往很有限。
屏蔽电缆：屏蔽电缆是抑制共模辐射十分有效的方法，但要注意电缆屏蔽层的端接方法和端接位置，端接不好可能会增加电缆的辐射。
降低共模辐射的其它方法：增加共模回路的阻抗。设备组装完成后，由设备在电缆上产生的共模电压也就一定了。因此通过增加共模电流回路的阻抗可以减小共模电流，从而减小共模辐射。在实践中，常用的方法是在电缆上安装一个共模扼流圈。简单的方法就是套一个铁氧体磁环。其本质也是减少共模电流。
使用平衡电路。平衡电路中的两根导线相对于邻近的金属参照物阻抗相等。并且发送电路在两根导线上同时传输相对于地幅度相等、方向相反的两个信号。这样，两根导线上的共模电流成分大小相等、方向相反，产生的辐射相互抵消。因此可以减小共模辐射。同时，平衡电路也能提高电路的抗扰能力，能够减小外界的共模干扰对电路的影响。
电缆上产生共模电压的一个主要原因就是线路板上其它电路与I/O接口电路部分的耦合，既有空间耦合的，也有通过地线、电源线等传导耦合的。因此，在进行布线时，设法减小这种耦合，对于减小电缆上的共模电压具有重要的意义。一种方法是通过布局：辐射较强的电路（高速数字脉冲电路、时钟电路、振荡器电路等）要尽量远离I/O接口电路。另一种方法是通过隔离区域：通过隔离变压器或光耦隔离器将I/O区域与主电路完全隔离；或者将I/O区域的地与电路地之间通过“桥”连接，电源线、数据线等均通过桥上过。隔离区域的边缘须满足“20H”法则。
结束语
PCB板是电子设备、系统中各种电子元器件的载体，提供了电子器件的连接。近几年随着电子设备的迅速发展，数字电路的速度越来越快，PCB的元器件密度也越来越高，从而产生了特殊的电磁兼容性问题。PCB的电磁兼容性设计常常成为一个新的电子系统或设备成败的关键。本文的研究对电子设备PCB板电磁兼容性设计有很大的帮助。
参考文献
[1]区健昌，林守霖，吕英华.电子设备的电磁兼容性设计.北京：电子工业出版社，2012.
[2]全国无线电干扰标准化技术委员会，全国电磁兼容标准化联合工作组，中国实验室国家认可委员会.电磁兼容标准实施指南.中国标准出版社，2009.
作者简介
冯淞（1986-04），男，江苏兴化，本科，工程师。
论文作者:冯淞
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
标签：电流论文; 干扰论文; 电路论文; 阻抗论文; 电压论文; 线上论文; 信号论文; 《电力设备》2018年第24期论文;