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。PCB 的密度随着电子产品的增多也相对增加，想要电子电路达到最好，良好的电磁兼容设计是很重要的，本文以电磁兼容为主体展开论述。
关键词：印制电路板；电路设计；电磁兼容
引言
印制电路板是所有精密电路设计中最容易被忽略的一种部件。由于很少能把印制电路板的电特性设计到电路中去，所以整个效应对电路的功能可能会产生一些危害。如果印制电路板的设计得当，它将具有减少干扰和提高抗扰度的优点。但设计不当，则将会使载有小功率、高精度、快速逻辑或连接到高阻抗端的一些导线受到寄生阻抗或介质吸收的影响，导致印制电路板产生电磁兼容性问题。
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 在电磁兼容设计中的布局
印制电路板的布局可以从两个方面分析：第一，元器件的平面布局；第二，元器件的立体布局。在布局中，印制电路板的相通性与电磁的包容性都与其相关。
2.1 平面的布局
（1）应该思考到印制电路板的大小，过大会提高阻力，噪音会变大，加大制作成本；过小散热系统会不好，相邻的连接线会干扰。所以控制印制电路板的大小和所能承受的机械强度。
（2）在元件摆放位置的时候，要警惕信号和零件以及传输等各种问题，必须分别放好数字和模拟电路与噪声源。
（3）布局时，容易互相干扰的元件不要放在一起，不然容易干扰信号，各元件要根据中心来放置，顺序完整，排列有序。
（4）考虑到一些器件对温度感应较为敏锐，则需要调整温度至最低。而且对一些需要处理信号的敏感类器件，则要求远离电源以及大功率元件。另外，对热量敏感的器件则需要远离发热元件安放。
（5）过孔数量的多少会影响电容的分布，合理安放过孔有利于提高电子产品的运行速度。
2.2 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 在电磁兼容设计中的布线
3.1 给印制电路板布线的基本规则
对于印制电路板布线的准则是应当开始设计时钟、感应信号线路，然后再加装高速信号线路，最后再是完成非必要性的线路。布线时，在基本规则前提下，还要注意下面几点：
（1）将降低辐射影响作为主要目标基准，即在选板时优先挑选多层板，即内层布设电源及地线，进而减少对供电设备的阻碍，还能减少阻抗噪音，这样信号线路就能与地板充分连接，同时提升分布在信号线路与地面的散布电容，控制其往空间辐射的能力。
（2）在高频条件下，一般会选择地线、电源接线、电路板走线作为收发的小型跳线。因而，对于这些电路在高频条件下运作时，则应当减少阻止，同时避免骚扰问题，另外针对酌情增设滤波电容。另外需要注意的是对高频条件下，要提升这些线路的输松效率，则应当尽量降低阻抗，即保证线路更短更粗，本身分布匀称。
（3）另外，地线、电源接线、电路板走线需要保证在板中的科学排布，为了达到降低环路面积的目的，则应当保证信号线路及其回线更短且直。
（4）时钟发生器的排布要与时钟元件贴近。
（5）用石英晶体制作的振动器外壳要和地面进行连接。
（6）可以用地线将短的时钟线包围起来。
（7）想要降低高频率信号对外部的融合，可以利用布线折线。折线不用 90°，印制板尽可能使用 45°。
（8）一个点接电源，一个点连接地面的双面板和单面板的使用方法：地线、电源线尽可能粗。
（9）高速线不仅要短而且要直。而且要在两边加上对地线的措施保护，占主要位置的线条要加粗到最大范围。
（10）去祸电容引脚尽可能短，元件引脚尽可能短，去祸电容最佳应使用无引线的贴片电容。
（11）特别是时钟，模拟电压输入线、参考的电压端要尽可能远离数字电路信号线。
（12）时钟元件引脚要离开І10电缆，时钟线垂直于І10线比平行І10线干扰要小，时钟元件引脚要离开І10电缆。
3.2 避免电磁辐射，PCB 布线规则
在印制线路板布线时，为了防止高频信号经过印制导线时产生的电磁辐射，还需要注意以下几点：
（1）布线过程参考平行布局概念，即对同类并且对向的输出电流进行处理，以降低磁场影响。
（2）要将印制导线的不连惯性减至最少，比如导线宽度不要突变，阻止环状走线，导线的拐角要大于 900 等。
（3）走线时要与地线回路相接近，因为时钟信号引线最容易产生电磁辐射干扰。
（4）另外，针对一些引线由线路板引出，则需要保证驱动器与连接器的贴近。此外，总线的驱动器本身也要与目标驱动总线贴近。
（5）一般来说，线路板中几乎所有的信号线路也会出现较大的不定电流，特别是在多数驱动线路、时钟引线。而相应的方法则是减少导线的长度，而且对于分离开的元器件电路，要求导线宽为1.5mm，从而能够达到正常运作需求；不过集成电路中，这一宽度则需要降低至0.2mm -1.0mm范围内。
（6）还有一些引线会通过高热器件或者高电流导线周边，则应当取消运用大面积铜箔，因为滥用可能会导致铜箔受热脱离或鼓胀问题。若实在无法取消，则应当优先选择栅格状铜箔，从而达到迅速排出因热释放的抨发气体的目的。
（7）焊盘规格选择：焊盘不宜过大，否则会加大虚焊率。另外，选择焊盘则要求心孔略大于线路口径即可。而且外径最小不能小于（线路口径 +1.2）mm。而且在数字电路中，这一取值应当是在（线路口径 +1.0）mm 左右。
（8）另外，关于抗干扰保护环的布线也是必不可少的，而详
细的布线规则详见下图图 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：
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[4]浅谈印制电路板的电磁兼容设计[J].姚昕.印制电路信息.2009（04）
[5]印制电路板的电磁兼容性设计[J].周斌，赵肖运.中国集成电路.2007（05）
论文作者:张庭荣
论文发表刊物:《基层建设》2018年第18期
论文发表时间:2018/7/23
标签：电路板论文; 信号论文; 地线论文; 电容论文; 干扰论文; 电磁兼容论文; 元件论文; 《基层建设》2018年第18期论文;