PCB工程师详细讲解基于EMC的PCB设计

PCB工程师详细讲解基于EMC的PCB设计

简介

PCB是英文printed circuit board的缩写。 一般来说，印刷电路是指按照预定设计在绝缘材料上由印刷电路、印刷元件或两者制成的导电图案。 在绝缘基板上提供元件之间电气连接的导电图案称为印制电路。 这样，印制电路或印制电路的成品板就称为印制电路板，也称为印制板或印制电路板。 几乎所有我们能看到的电子设备都离不开PCB，从电子表、计算器和通用计算机到计算机、通讯电子设备、航空、航天和军用武器系统。 只要有集成电路和其他电子元件，PCB就用于它们之间的电气互连。 其性能直接关系到电子设备的质量。 随着电子技术的飞速发展，电子产品越来越趋于高速、高灵敏度、高密度。 这种趋势导致了PCB设计中电磁兼容性（EMC）和电磁干扰的严重问题。 EMC设计已成为PCB设计中亟待解决的技术问题。

1 电磁兼容性

电磁兼容性（EMC）是一门新兴的综合学科，主要研究电磁干扰和抗干扰。 电磁兼容性是指在规定的电磁环境水平下，电子设备或系统不会因电磁干扰而降低其性能指标，同时其产生的电磁辐射不会超过限定的限值水平，不会影响电子设备或系统的性能。 保证其他系统的正常运行，达到设备与系统之间互不干扰、可靠工作的目的。 电磁干扰（EMI）是由电磁干扰源通过耦合路径将能量传输到敏感系统引起的。 它包括三种基本形式：电线和公共地线传导、空间辐射或近场耦合。 实践证明，即使电路原理图设计正确，印刷电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响，因此保证印刷电路板的电磁兼容性是整个系统设计的关键 。

1.1 电磁干扰（EMI）

当EMI问题出现时，需要用三个要素来描述：干扰源、传播路径和接收器。因此，如果我们想要减少电磁干扰，就需要想办法处理这三个要素。 现在我们主要讨论印刷电路板的布线技术。

2 印制电路板的布线技术

良好的 PCB 布线是 EMC 的一个非常重要的因素。

2.1 PCB的基本特性

PCB由垂直堆叠上的一系列层压、布线和预浸处理组成。 在多层PCB中，设计者会将信号线布在最外层，以方便调试。PCB上的布线具有阻抗、电容和电感特性。

阻抗：布线的阻抗由铜的重量和横截面积决定。 例如，一盎司铜的阻抗为 0.49 m Ω/单位面积。 电容：布线的电容由绝缘体（EoEr）、电流范围（A）和布线间距（h）决定。 方程表示为C=EoErA/h，Eo是自由空间的介电常数（8.854 pF/m），Er是PCB基板的相关介电常数（FR4轧制中为4.7)。

电感：布线的电感均匀分布在布线中，约为1nH/m。

对于1盎司的铜线，在0.25mm（10mil）厚的FR4的轧制条件下，接地层上方0.5mm（20mil）宽、20mm（800mil）长的导线可产生9.8mΛ的阻抗， 电感为 20 nH，与地耦合电容为 1.66 pF。 将上述值与元件的寄生效应进行比较，这些可以忽略不计，但所有布线的总和可能超过寄生效应。 因此，设计者必须考虑到这一点。 PCB 布线的一般准则：

(1)增加导线之间的距离，减少电容耦合的串扰；

(2)电源线和地线平行分布，优化PCB电容；

(3)敏感高频线应远离高噪声电源线；

(4)加宽电源线和地线，降低电源线和地线的阻抗。

2.2 细分

划分是指物理上的划分，以减少不同类型线路之间的耦合，特别是通过电源线和地线。

使用划分技术划分 4 种不同类型电路的示例。 在接地平面上，使用非金属沟槽来隔离四个接地平面。 L和C作为电路板各部分的滤波器，以减少不同电路的电源面之间的耦合。 高速数字电路因其较高的瞬时功率需求而需要放置在电源入口处。 接口电路可能需要用于静电放电（ESD）和瞬态抑制的器件或电路。 对于L和C，最好使用不同的L和C值，而不是使用一个大的L和C，因为这样可以为不同的电路提供不同的滤波特性。

2.3 本地电源与IC之间的去耦

局部去耦可以减少沿电源的噪声传播。 连接在电源输入端口和PCB之间的大容量旁路电容充当低频纹波滤波器，并作为潜在的存储来满足突然的电源需求。 另外，每个IC的电源和地之间应该有去耦电容。 这些去耦电容应尽可能靠近引脚。 这将有助于过滤 IC 的开关噪声。

2.4 接地技术

接地技术适用于多层PCB和单层PCB。 接地技术的目标是最小化接地阻抗，从而降低从电路回到电源的接地环路的电势。

(1)单层PCB的地线

在单层（单面）PCB中，接地线的宽度应尽可能宽，至少为1.5毫米（60密尔）。 由于星形布线无法在单层PCB上实现，因此跳线和地线宽度的变化应保持在最小限度，否则线路阻抗和电感将发生变化。

(2)双层PCB的接地线

在双层（双面）PCB中，数字电路优先采用地网格/点阵布线，这样可以减少地阻抗、地环路和信号环路。 单层PCB中，地线和电源线的宽度至少为1.5mm。 另一种布局是将接地层放置在一侧，将信号线和电源线放置在另一侧。 在这种布置中，接地电路和阻抗将进一步减小，并且去耦电容可以尽可能靠近IC电源线和地平面放置。

(3) 保护环

保护环是一种接地技术，可以隔离环外的噪声环境（如射频电流），因为正常工作时没有电流流过保护环。

(4)PCB电容

在多层板上，PCB电容是由将电源表面与地分开的薄绝缘层产生的。 在单层板上，电源线和地线的平行敷设也会导致这种电容效应。 PCB电容器的优点之一是它具有非常高的频率响应和均匀分布在整个表面或整条线路上的低串联电感。 相当于整个板上均匀分布的去耦电容。 没有任何一个分立元件具有此功能。

(5)高速电路和低速电路

高速电路应靠近地面布置，低速电路应靠近电源面布置。

(6)地面填铜

在一些模拟电路中，未使用的电路板区域被大片地覆盖，以提供屏蔽并增加去耦能力。 但是，如果铜区域是悬空的（例如，没有接地），则可能会充当天线并导致电磁兼容性问题。

(7) 多层PCB中的接地层和电源层

在多层PCB中，接地层和电源层通常都是平面铜区域，它们覆盖整个内部层，以提供均匀的地和电源分布。这有助于提高信号完整性、降低电路的噪声水平，并简化PCB布线。同时，良好的接地层和电源层布局可以减少电磁干扰，提高电路的抗干扰能力。