摘要：印制电路板的设计是一个复杂的过程，设计时需要考虑的因素很多，稍不注意就会对电路板的性能产生很大的影响。而在设计过程中，如果没有充分考虑到电磁兼容问题，那么设计出来的电路板很可能无法正常投入使用。所以在设计时应该充分的考虑到走线、布局、接地、屏蔽等问题，防止信号之间发生串扰。本文介绍了电磁兼容在印制电路板中的重要性，分析了电磁兼容在印制电路板中的应用。
关键词：印制电路板；电磁干扰；电磁兼容；设计
电磁兼容（EMC）是电子和电气系统、设备和装置在预定的电磁环境和设定的安全界限内的设计的性能水平工作时不会因为电磁干扰而引起不可接受的功能降级。即要求在同一电磁环境中各种电路、设备、子系统能正常工作又不互相干扰，达到兼容状态。目前，电子器材用于各类电子设备和系统仍然以印制电路板为主要装配方式。实践证明，如果印制电路板设计不当，即使电路原理图设计正确，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。所以，保证印制电路板的电磁兼容性是整个系统设计的关键。
1、原理图的设计
在设计一个电路板时，首先要进行的是原理图的设计。为了实现某一个功能，将一些器件通过一定的逻辑关系来连接起来。设计原理图一般使用Altium Designer 软件进行操作，所用器件均可以原理图库中进行筛选，若原理图库中没有所要选择的器件，可以自行绘制。绘制好原理图之后需要进行自动检测，检查绘制过程中是否有明显的错误。在原理图绘制完成后，可以进行印制电路板的设计。Altium Designer 可以由原理图生成PCB 图，也可以自动布线，但自动布线的结果总是差强人意，需要人手工进行布局和布线。而在设计印制电路板时，电磁兼容问题成为一个考虑的重要技术要求。合理的布置印制电路板中元器件和线路的布局，能够有效的减少电磁干扰问题。
2、设计印制电路板时的抗干扰方法
2.1.PCB 板材料的选择。印制电路板有单面、双面和多层板之分。最常用环氧树脂玻璃布作为基板，这种材料具有以下几个优点：膨胀性好，有利于减小环路面积，减小差模干扰，吸水性低，耐热，抗化学腐蚀，抗冲击性能好。
2.2.PCB 的布线。布线时要遵循通量最小原理，通量最小原理是指传输线和返回路径产生的磁力线相互抵消，实现电通量对消。单面板无地平面，其走线要点是减小电源回路与信号回路的回路面积。使用接地保护走线。拉出地线紧贴电源线或信号线一起走线，减小环路面积。高速信号走线时应为直线或钝角，不应该出现锐角和直角。
2.3.PCB 的布局。一般情况下，PCB 设计软件都有自动布局的功能，但是这个功能并不能满足实际工作的需要，因此需要设计者熟悉布局的规则。布局时应该将数字电路部分和模拟电路部分分开，中间留有一部分空间隔开。布局时应根据速率高、中、低速、I /O电路分区，以减少高速电路对其它部分的干扰。
3、电磁兼容在印制电路板中的应用
由于PCB 集成度和信号频率越来越高，不可避免地会引入电磁兼容和电磁干扰的问题。所以，设计目的是使PCB板上各部分电路之间没有干扰或将干扰减少到最低，达到有关标准要求。实际上在设计中采取正确的措施常常能同时起到抗干扰和抑制发射的作用。
3.1.印制电路板板层设计与EMC。在设计印制电路板时，一个最基本的问题是实现电路要求的功能需要多少个布线层和电源平面，印制电路板的层数取决于要求的功能、噪声指标、用于电源的平面、信号分类、网线数量等类似要求。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆PCB 板设计的开始阶段就是层的设置，层设置不合理可能产生诸多的噪声而形成电磁干扰和自身的EMC 问题，所以合理的层布局对电磁兼容性而言是十分重要的。
（1）印制电路板的选取。印制电路板有单面、双面和多层板之分。单面和双面板一般用于低、中密度布线的电路和集成度较低的电路。出于成本的考虑，更多的民用设备都采用单面板或双面板。但这两种印制电路板的结构使得它们不仅产生较强的电磁辐射，自身电路也对外界的干扰较敏感。要改善印制线路板的电磁兼容性，最简单而有效的方法就是减小关键信号的回路面积，如产生较强辐射的时钟信号、较敏感的模拟信号等。多层板适用于高密度布线、高集成度芯片的高速数字电路。从电磁兼容的角度来说，多层板可以减小线路板的电磁辐射并提高线路板的抗干扰能力。因为在多层板设计中，可以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，板上所有信号的回路面积就可以降至最小，从而有效减小差模辐射。
（2）单面板设计。单面PCB 通常用于那些不包含周期信号的产品或系统当中。由于在单面板上线条布置受限，就必须十分注意印制板的布线设计。单面PCB 一般用在几百千赫兹工作的情形。这样的低频限制是因为许多实现高频电路所需要的设计条件受到了限制，例如，线条集肤效应，缺乏完整闭合所要求的射频（RF）电流回路的路径以及缺乏回路控制的条件等原因。此外，单面PCB 板对于外界射频影响很敏感。静电放电（ESD）、快脉冲、辐射或是传导射频干扰都很敏感。单面板设计，通常不考虑终端匹配和信号完整性设计，因为信号转换的边沿速率较慢，所以PCB印制线条的物理尺寸达不到构成传输线的长度。但是，由于缺乏RF 回流路径和通量对消条件，任何I/O 连接器都会成为很好的辐射天线。设计单面PCB 的方法我们可以由设计电源和接地线条开始。然后，设计高风险信号，该信号的线条必须紧靠接地线条，只要物理上允许，越近越好。这两步设计完成后，再进行其余线条设计。设计时要做下面几条：划分为功能子段布线。考虑敏感元件及其县官的I/O 端口和连接器的要求。如果需要有多个接地点，确定这些接地点是否需要连在一起，并且确定如何相连。
（3）印制电路板双面板及多层板设计。合理排列各层对PCB 的抗干扰能力十分有益。PCB 设计中层排列的一些基本原则如下。
关键电源平面与其对应的地平面相邻。由于电源、地平面存在自身的特性阻抗，电源平面的阻抗比地平面阻抗高，相邻的两平面可形成耦合电容，并与 PCB 板上的退耦电容一起降低电源平面的阻抗，同时获得较宽的滤波效果。
相邻层的关键信号不能跨分割区，从而避免形成较大的信号环路，降低产生较强辐射和敏感度等问题。
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平面间的距离仅为线路板层间的距离，高频电路将选择环路面积最小的路径流动，形成最小的信号环路面积，从而减少辐射。也就是说，与地线层相邻的信号层作为优选层进行信号走线。参考面的选择也应优选地平面，虽然电源平面、地平面皆可用作参考平面，且有一定的屏蔽作用。但相对而言，电源平面具有较高的特性阻抗，与参考电平存在较大的电位差。从屏蔽角度考虑，地平面一般均作接地处理，并作为基准电平参考点，其屏蔽效果远远优于电源平面。
随着电子技术的不断发展，印制电路板的出现使得一些线路可以集成在一个板子上，这样可以节省大量的空间和资源。电磁兼容是一门新兴的综合性学科，是随着无线电广播、通信技术的发展而逐步成长起来的。实际上，随着PCB 工艺的提高和电磁兼容学的深入发展，抗干扰和电磁兼容技术也会随着器件制造、电路设计和软件编写等技术的成熟而不断发展。
参考文献：
[1]顾海洲，马双武． PCB 电磁兼容技术—设计实践． 清华大学出版社，2014．
[2]彭亮，黄峥嵘，黄明晖，杜迎． 印制电路板电磁兼容设计浅析［J］． 电子与封装，2013.
[3]俞海珍，冯浩．电磁兼容技术及其在PCB 设计中的应用［J］． 计算机工程与科学，2014，82．
论文作者:张宇超
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/7
标签：电路板论文; 信号论文; 平面论文; 电磁兼容论文; 电路论文; 电源论文; 回路论文; 《基层建设》2018年第34期论文;