PCB新聞 - 印刷電路板的電磁相容設計

電磁相容性是指設備或系統在其電磁環境中正常工作，並且不會對環境中的任何東西造成無法忍受的電磁干擾的能力。 電磁相容性設計的目的是使電子設備能够抑制各種外部干擾，使電子設備能够在特定的電磁環境中正常工作，並减少電子設備本身對其他電子設備的電磁干擾。

隨著電子設備的靈敏度越來越高, 接收微弱訊號的能力變得更強, 電子產品的頻帶變得越來越寬，越來越小, 要求電子設備具有更强的抗干擾能力. 某些電子設備產生的電磁波很容易對周圍的其他電子設備造成電磁干擾, 導致故障或影響訊號傳輸. 此外, 過多的電磁干擾會造成電磁污染, 危害人民健康, 破壞生態環境. 本文分析了電磁相容的幾個關鍵技術 PCB設計(printed circuit board, also called printed circuit board).

1、電源設計

電子設備的電源與其他功能單元廣泛相連。 一方面，在電源中產生的不必要訊號可以容易地耦合到每個功能單元。 另一方面，單元中不必要的訊號可以耦合到電源的公共阻抗。 轉到其他單位。 囙此，在電源設計中應採取以下措施。

(1) According to the current size of the printed circuit board, 儘量新增電源線的寬度, 降低回路電阻, 並使電源線和地線的方向與資料傳輸的方向一致； 同時, 在中使用電源層和接地層 多層PCB, 减少從電源線到電源層或接地層的線路長度. 這有助於增强抗雜訊能力；

（2）在可能的情况下，使電源單獨向每個功能單元供電，並且使用公共電源的所有電路盡可能接近，並且相互相容；

（3）在交流和直流電源上使用電源濾波器，以防止外部干擾通過電源進入設備，防止設備內部產生的開關瞬態和其他訊號進入一次電源，並有效隔離電源的輸入和輸出線以及濾波器和輸出線的輸入；

（4）對電源進行有效的電磁場遮罩，並盡可能將高壓電源與敏感電路隔離，尤其是開關電源，這將導致高頻輻射和傳導干擾。 採用靜電屏蔽電力變壓器來抑制共模對電力線的干擾，多遮罩隔離變壓器具有更好的效能；

（5）電源應在所有電路功能狀態下保持低輸出阻抗。 即使在射頻範圍內，輸出電容器也應表現出低阻抗，同時確保調節器具有足够快的回應時間來抑制高頻紋波和瞬態。 荷載效應

（6）整流二極體應在最低電流密度下工作，為齊納二極體提供足够的射頻旁路；

（7）電力變壓器應對稱平衡，而不是功率平衡變壓器，並且使用的鐵芯資料應為其飽和磁感應（Bm）的下限。 在任何情况下，必須確保鐵芯不會被驅動到飽和狀態。 變壓器的鐵芯結構應為D型和C型，其次為E型。

2、地線設計

接地雜訊，即系統各部分接地線之間的電位差或接地阻抗的存在引起的接地雜訊。 由於接地系統存在接地電位差問題，在設計產品接地的過程中，必須根據PCB的特點選擇相應的接地方法。 在電子產品的設計中，接地是控制干擾的重要方法。 如果接地和遮罩可以適當結合，大多數干擾問題都可以解决。 電子產品中的地線結構大致包括系統地線、主機殼地線、數位地線和類比地線。 接地線設計應注意以下幾點：

（1）接地線應盡可能厚。 如果接地線很薄，接地電位將隨著電流的變化而波動，導致電子產品的定時信號電平不穩定，抗雜訊效能降低。 囙此，在設計中，地線應盡可能厚，以便其能够通過印刷電路板允許電流的3倍。 如果可能，地線的寬度應大於3mm。

(2) Correctly choose the grounding method. 單點接地設定的目的是防止來自兩個不同參攷電平的子系統的電流和射頻電流通過相同的回路，並導致公共阻抗耦合. 這種接地方法更適用於低頻PCB, 可以减少分佈式傳輸阻抗的影響. 然而, 在一個 高頻PCB, 在高頻下，回路電感成為線路阻抗的主要部分. 因此, 為了最小化 高頻PCB, 通常使用多點接地方法. 多點接地最重要的是要求接地導線的最小長度, 因為引線越長意味著電感越大, 從而新增接地阻抗並導致接地電位差. 混合接地結構是單點接地和多點接地的組合. 當PCB中存在高、低混頻時，通常使用這種結構, 那就是, 低頻時存在單點接地, 高頻下存在多點接地.

（3）數位接地與類比接地分離。 電路板上既有高速邏輯電路，也有線性電路。 它們應該盡可能地分開。 兩者的地線不應混合，應連接到電源端子的地線上。 低頻電路的接地線應盡可能在單點並聯接地。 當實際接線困難時，可以將其部分串聯，然後並聯接地。 高頻電路應多點串聯接地，接地線應短而厚，高頻元件周圍應盡可能使用網格狀大面積接地箔。 儘量新增線性電路的接地面積。

（4）地線形成閉環。 在設計僅由數位電路組成的印刷電路板的接地系統時，將接地線設為閉合電路可以顯著提高抗雜訊能力。 由於印刷電路板上有許多集成電路元件，特別是當有消耗更多功率的元件時，由於地線厚度的限制，地線上將產生較大的電位差，這將導致抗噪性降低。 接地線形成回路，將减小電位差，提高電子設備的抗雜訊能力。

（5）使用光隔離器切斷接地回路干擾。 光連接通常使用光耦合器和光纖連接。 光耦的寄生電容通常為2pF，可以為高頻提供良好的隔離。 光纖連接幾乎沒有寄生電容，但價格昂貴，安裝和維護不方便。

3、旁路和解耦設計

旁路是從組件或電纜傳輸不需要的共模射頻能量。 旁路電容器的主要功能是產生交流分量，以消除進入敏感區域的不必要能量。 去耦是指去除去耦電容器的主要功能是為組件提供局部直流電源，以减少開關雜訊在電路板上的傳播，並將雜訊引導到地面。

3.1電容器的選擇

通過選擇旁路和去耦電容器，可以通過使用的邏輯序列和時鐘速度計算所需電容器的自諧振頻率，並且可以根據電路中的頻率和電容電抗選擇電容器值。 對於封裝尺寸，儘量選擇引線電感較低的SMT電容器，而不是通孔電容器。 此外，產品設計通常使用並聯去耦電容器來提供更大的工作頻帶並减少接地不平衡。 並聯電容器系統，當工作頻率高於自諧振頻率時，大電容器表現出感應阻抗，並隨著頻率的新增而新增； 而小電容器表現出電容阻抗，並隨著頻率的新增而减小，此時，整個電容器電路的電容-阻抗小於單個電容器的阻抗。

3.2旁路電容器配寘

旁路電容器通常用作高頻旁路裝置，以降低功率模組的瞬態功率要求。 一般來說，鋁電解電容器和鉭電容器更適合作為旁路電容器。 電容值取決於PCB上的瞬態電流要求。 在10～470LF範圍內，如果PCB上有許多集成電路、高速開關電路和長引線電源，則應選擇大容量電容器。

3.3去耦電容器配寘

（1）電源輸入端與10～100LF的電解電容器相連。 如果可能，最好連接100LF以上；

（2）原則上，每個集成電路晶片應配備0.01pF陶瓷電容器。 如果印製板間隙不够，可以每4～8個晶片配寘1～10pF鉭電容器；

（3）對於抗雜訊能力弱、關機時功率變化大的設備，如RAM和ROM儲存設備，應在晶片的電源線和地線之間直接連接去耦電容器；

（4）電容器引線不宜過長，尤其是高頻旁路電容器；

（5）由於印製板中有接觸器、繼電器、按鈕和其他部件，囙此在操作過程中會產生較大的火花放電，必須使用RC電路來吸收放電電流。 一般來說，R取1～2K，C取2.2～47LF；

（6）CMOS的輸入阻抗非常高，並且容易感應，囙此在使用時，未使用的端子應接地或連接到正電源。

4、混合訊號電路板設計

瞭解電流返回地面的路徑和方法是優化混合訊號電路板設計的關鍵。 你不能只考慮訊號電流的流向，而忽略電流的特定路徑。 如果必須劃分接地層，並且佈線必須通過分區之間的間隙，則可以在劃分的接地之間進行單點連接，以在兩個接地之間形成連接橋，然後通過連接橋進行佈線。 這樣，可以在每個訊號線下提供直流回流路徑，從而形成的環路面積小。 在混合訊號PCB設計過程中，請注意以下幾點：

（1）將PCB劃分為獨立的類比和數位部分，實現類比和數位功率的劃分，並將A/D轉換器跨分區放置；

（2）不要分開地面。 在電路板的類比部分和數位部分下方均勻接地；

（3）在電路板的所有層中，數位信號只能在電路板的數位部分佈線，類比信號只能在電路板的類比部分佈線；

（4）佈線不能穿過分割電源平面之間的間隙，必須穿過分割電源之間間隙的訊號線應位於靠近大面積接地的佈線層上；

（5）分析實際回流接地電流的路徑和方法；

（6）採用正確的佈局和接線規則。

簡言之, 隨著電子產品變得更加複雜, 高速, 和密集, 設計要求 PCB板 越來越高, 特別是電磁相容的設計問題越來越突出., 旁路, 解耦和混合訊號電路等合理設計.