1.電磁兼容的一般概念

電磁兼容性是指電子設備在電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時不產(chǎn)生對周圍設備或環(huán)境造成干擾的能力。EMC設計的目標是確保設備在復雜電磁環(huán)境下穩(wěn)定可靠地運行，同時保持對周圍環(huán)境的兼容性。

電磁兼容(Electro - Magnetic Compatibility，簡稱EMC)是一門新興綜合性學科，它主要研究電磁干擾和抗干擾問題。 電磁兼容性是指電子設備或系統(tǒng)在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下，不因電磁干擾而降低性能指標，同時它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于限定的極限電平，不影響其它系統(tǒng)的正常運行，并達到設備與設備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互不干擾、共同可靠工作的目的。 電磁干擾( EM I)產(chǎn)生是由于電磁干擾源通過耦合路徑將能量傳遞給敏感系統(tǒng)造成的，它包括由導線和公共地線的傳導、通過空間輻射或近場耦合3種基本形式。 實踐證明，即使電路原理圖設計正確，印制電路板設計不當，也會對電子設備的可靠性產(chǎn)生不利影響，所以保證印制電路板電磁兼容性是整個系統(tǒng)設計的關鍵，本文主要討論電磁兼容技術及其在多層印制線路板( Printed Circuit Board，簡稱PCB)設計中的應用。

PCB是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件，它提供電路元件和器件之間的電氣連接，是各種電子設備最基本的組成部分。 如今，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路已在電子設備中得到廣泛應用，而且元器件在印刷電路板上的安裝密度越來越高，信號的傳輸速度更是越來越快， 由此而引發(fā)的EMC問題也變得越來越突出。 PCB 有單面板(單層板) 、雙面板(雙層板)和多層板之分。 單面板和雙面板一般用于低、中密度布線的電路和集成度較低的電路， 多層板使用高密度布線和集成度高的電路。 從電磁兼容的角度看單面板和雙面板不適宜高速電路，單面、雙面布線已滿足不了高性能電路的要求，而多層布線電路的發(fā)展為解決以上問題提供了一種可能，并且其應用變得越來越廣泛。

考慮的根本原因在于電磁干擾的存在。電磁干擾(Electromagnetic Interference，簡稱EMI)是破壞性電磁能從一個電子設備通過輻射或傳導傳到另一個電子設備的過程。一般來說，EMI特指射頻信號(RF)，但電磁干擾可以在所有的頻率范圍內(nèi)發(fā)生。

電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，簡稱EMC)是指電氣和電子系統(tǒng)、設備和裝置在設定的電磁環(huán)境中，在規(guī)定的安全界限內(nèi)以設計的等級或性能運行，而不會由于電磁干擾引起損壞或不可接受到性能惡化的能力。這里所說的電磁環(huán)境是指存在于給定場所的所有電磁現(xiàn)象的總和。這表明電磁兼容性一方面指電子產(chǎn)品應具有抑制外部電磁干擾的能力;另一方面，該電子產(chǎn)品所產(chǎn)生的電磁干擾應低于限度，不得影響同一電磁環(huán)境中其他電子設備的正常工作。

現(xiàn)今的電子產(chǎn)品已經(jīng)由模擬設計轉(zhuǎn)為數(shù)字設計。隨著數(shù)字邏輯設備的發(fā)展，與EMI和EMC相關的問題開始成為產(chǎn)品的焦點，并得到設計者和使用者很大的關注。美國通信委員會(FCC)在20世紀70年代中后期公布了個人電腦和類似設備的輻射標準，歐共體在其89/336/EEC電磁兼容指導性文件中提出輻射和抗干擾的強制性要求。我國也陸續(xù)制定了有關電磁兼容的國家標準和國家軍用標準，例如“電磁兼容術語”(GB/T4365-1995)，“電磁干擾和電磁兼容性術語”(GJB72-85)，“無線電干擾和抗擾度測量設備規(guī)范”(GB/T6113-1995)，“電動工具、家用電器和類似器具無線電干擾特性的測量方法和允許值”(GB4343-84)。這些電磁兼容性規(guī)范大大推動了電子設計技術并提高了電子產(chǎn)品的可靠性和適用性。

多層印制板為了有更好的電磁兼容性設計。使得印制板在正常工作時能滿足電磁兼容和敏感度標準。正確的堆疊有助于屏蔽和抑制EMI。

多層印制板設計基礎

多層印制板的電磁兼容分析可以基于克希霍夫定律和法拉第電磁感應定律。

根據(jù)以上兩個定律，我們得出在多層印制板分層及堆疊中應遵徇以下基本原則：

① 電源平面應盡量靠近接地平面，并應在接地平面之下。

② 布線層應安排與映象平面層相鄰。

③ 電源與地層阻抗。其中電源阻抗Z0= 其中D為電源平面同地平面之間的間距。W為平面之間的面積。

④ 在中間層形成帶狀線，表面形成微帶線。兩者特性不同。

⑤ 重要信號線應緊臨地層。

PCB板的堆疊與分層

① 二層板。此板僅能用于低速設計。EMC比較差。

② 四層板。由以下幾種疊層順序。下面分別把各種不同的疊層優(yōu)劣作說明。

2.EMC在設計中的重要性

隨著電子設備的靈敏度越來越高，并且接受微弱信號的能力越來越強，電子產(chǎn)品頻帶也越來越寬，尺寸越來越小，并且要求電子設備抗干擾能力越來越強。一些電器、電子設備工作時所產(chǎn)生的電磁波，容易對周圍的其他電氣、電子設備形成電磁干擾，引發(fā)故障或者影響信號的傳輸。另外，過度的電磁干擾會形成電磁污染，危害人們的身體健康，破壞生態(tài)環(huán)境。

如果在一個系統(tǒng)中各種用電設備能夠正常工作而不致相互發(fā)生電磁干擾造成性能改變和設備的損壞，人們就稱這個系統(tǒng)中的用電設備是相互兼容的。但是隨著設備功能的多樣化、結(jié)構的復雜化、功率的加大和頻率的提高，同時它們的靈敏度也越來越高，這種相互兼容的狀態(tài)越來越難獲得。為了使系統(tǒng)達到電磁兼容，必須以系統(tǒng)的電磁環(huán)境為依據(jù)，要求每個用電設備不產(chǎn)生超過一定限度的電磁發(fā)射，同時又要求它本身要具備一定的抗干擾能力。只有對每一個設備都作出這兩個方面的約束和改進，才能保證系統(tǒng)達到完全兼容。

通常認為電磁干擾的傳輸有兩種方式：一種是傳導方式;另一種是輻射方式。在實際工程中，兩個設備之間發(fā)生干擾通常包含著許多種途徑的耦合。正因為多種途徑的耦合同時存在，反復交叉，共同產(chǎn)生干擾，才使得電磁干擾變得難以控制。

常見的電磁干擾主要有以下幾種：

(1)射頻干擾。由于現(xiàn)有的無線電發(fā)射機的激增，射頻干擾給電子系統(tǒng)造成了很大的威脅。蜂窩電話、手持無線電、無線電遙控單元、尋呼機和其他類似設備現(xiàn)在非常普遍。造成有害的干擾并不需要很大的發(fā)生功率。典型的故障出現(xiàn)在射頻場強為1～10V/m的范圍內(nèi)。在歐洲、北美和很多亞洲國家，避免射頻干擾損壞其他設備已經(jīng)成為對所有產(chǎn)品在法律上的強制性規(guī)定。

(2)靜電放電(ESD)?，F(xiàn)代芯片工藝已經(jīng)有了很大的進步，在很小的幾何尺寸(0.18um)上元件已經(jīng)變得非常密集。這些高速的、數(shù)以百萬計的晶體管微處理器的靈敏性很高，很容易受到外界靜電放電影響而損壞。放電可以是直接或輻射的方式引起。直接接觸放電一般引起設備性的損壞。輻射引起的靜電放電可能引起設備紊亂，工作不正常。

(3)電力干擾。隨著越來越多的電子設備接入電力主干網(wǎng)，系統(tǒng)會出現(xiàn)一些潛在地干擾。這些干擾包括電力線干擾、電快速瞬變、電涌、電壓變化、閃電瞬變和電力線諧波等。對于高頻開關電源來說，這些干擾變得很顯著。

(4)自兼容性。一個系統(tǒng)的數(shù)字部分或電路可能干擾模擬設備，在導線之間產(chǎn)生串繞(Crosstalk)，或者一個電機可以引起數(shù)字電路的紊亂。

另外，一個在低頻可以正常工作的電子產(chǎn)品，當頻率升高時會遇到一些低頻所沒有的問題。比如反射、串繞、地彈、高頻噪聲等。

一個不符合EMC規(guī)范的電子產(chǎn)品不是合格的電子設計。設計產(chǎn)品除了滿足市場功能性要求外，還必須采用適當?shù)脑O計技術來預防或解除EMI的影響。

PCB設計與EMC優(yōu)化的關鍵要點

a.排布與布線

1.分區(qū)原則：PCB應按功能模塊進行合理的布局分區(qū)，避免不同模塊之間的干擾。

2.信號路徑優(yōu)化：優(yōu)化信號路徑，避免信號線和功率線交叉、平行，減少互相干擾。

3.接地設計：合理設計接地結(jié)構，保證接地回路短而穩(wěn)定，減少接地回流對信號的干擾。

b.電磁屏蔽

1.屏蔽層設計：在PCB設計中加入地層、電源層等屏蔽層，有效隔離不同信號層。

2.屏蔽罩：對于敏感部分，可采用金屬屏蔽罩進行屏蔽，減少外部電磁場對其的影響。

c.元件選擇與布局

1.低噪聲元件：選擇低噪聲、低干擾的元件，如低噪聲放大器、低噪聲電源等。

2.電容與電感：合理選擇電容和電感，濾除高頻噪聲，保證電路穩(wěn)定性和信號清晰度。

d.地線設計

1.單點接地：采用單點接地設計，減少接地回流路徑，避免接地回流干擾信號。

2.接地平面：在PCB內(nèi)層設計大面積接地平面，提供良好的地網(wǎng)，減少信號線和功率線對接地的干擾。

e.EMC測試與驗證

1.輻射測試：進行輻射測試，確保設備輻射水平符合國際標準要求。

2.傳導測試：進行傳導測試，驗證設備對傳導干擾的抗干擾能力。

在電路 PCB 多層電路板的設計中，信號完整性與電磁兼容性至關重要。

信號完整性直接影響電路板的正常運行。隨著電子產(chǎn)品向高速、高頻發(fā)展，信號在傳輸過程中的延遲、衰減和畸變問題愈發(fā)突出。多層電路板中，不同層間信號的耦合和干擾是關鍵因素。例如，相鄰信號層之間的電磁感應可能會引發(fā)串擾，導致信號失真。為保障信號完整性，需精確計算線路的阻抗匹配，合理規(guī)劃信號路徑，采用合適的端接方式，如串聯(lián)電阻或并聯(lián)電容，以減少信號反射。同時，運用仿真軟件對信號傳輸進行模擬分析，提前發(fā)現(xiàn)并解決潛在的信號完整性問題，確保信號在多層電路板內(nèi)準確、穩(wěn)定地傳輸。

電磁兼容性同樣不容忽視。多層電路板工作時產(chǎn)生的電磁輻射可能干擾其他電子元件或外部設備，而外部的電磁干擾也可能影響電路板自身的性能。為提升電磁兼容性，一方面要優(yōu)化電路板的布局，將易受干擾的敏感元件遠離干擾源，如將射頻部分與數(shù)字、模擬部分合理分區(qū)。另一方面，通過添加接地層和屏蔽層來抑制電磁輻射和阻擋外部干擾。接地層能有效提供回流路徑，降低電磁噪聲，屏蔽層則可阻斷外界電磁波的侵入，保證電路板在復雜的電磁環(huán)境中正常工作，提高產(chǎn)品的整體穩(wěn)定性和可靠性，滿足日益嚴格的電磁兼容標準，推動電子設備向高性能、高可靠性方向發(fā)展。