在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，PCB設(shè)計(jì)占據(jù)著舉足輕重的地位。然而，當(dāng)這一環(huán)節(jié)面臨電磁問題時(shí)，我們又該如何應(yīng)對(duì)呢?本文將深入剖析PCB設(shè)計(jì)中電磁問題的多個(gè)方面，并探討相應(yīng)的解決策略。通過采取一系列有效的措施，我們可以顯著降低或甚至消除電磁干擾(EMI)的影響。

PCB(印制電路板)是電子設(shè)備中電路元件工作的平臺(tái)，它提供電路元器件之間的電氣連接，其性能直接關(guān)系到電子設(shè)備質(zhì)量的優(yōu)劣。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和電路集成度的提高，PCB板上的元器件密度越來(lái)越高，系統(tǒng)工作速度越來(lái)越快，這使得PCB電磁兼容性設(shè)計(jì)越來(lái)越重要，成為一個(gè)電路系統(tǒng)穩(wěn)定正常工作的關(guān)鍵。

PCB中常見的電磁干擾

解決PCB設(shè)計(jì)中的電磁兼容性問題由主動(dòng)減小和被動(dòng)補(bǔ)償兩種途徑，為此必須對(duì)電磁干擾的干擾源和傳播途徑進(jìn)行分析。通常PCB設(shè)計(jì)中存在的電磁干擾有:傳導(dǎo)干擾、串音干擾以及輻射干擾。

合理設(shè)計(jì)PCB布局：

采用多層板設(shè)計(jì)，以減少信號(hào)線間的相互干擾。

交錯(cuò)設(shè)置電源和地線層，縮小電流回路尺寸，降低天線效應(yīng)。

優(yōu)化器件布局，減少無(wú)用電流的流動(dòng)。

將模擬與數(shù)字電路分隔布局，以減小它們之間的干擾。

精心規(guī)劃地線設(shè)計(jì)：

地線設(shè)計(jì)對(duì)降低電磁干擾至關(guān)重要。應(yīng)將數(shù)字和模擬地線分別布局。

使用寬地線，以降低地線阻抗，減少電壓降。

減少信號(hào)線串?dāng)_：

合理設(shè)置信號(hào)線間距，盡量分開布置。

采用屏蔽罩或地平面進(jìn)行屏蔽。

使用差分信號(hào)線，利用其抵消作用減少串?dāng)_。

注意布線的對(duì)稱性和平衡性，以進(jìn)一步降低串?dāng)_。

慎重選擇元件：

挑選電磁輻射低、抗干擾能力強(qiáng)的元件。

條件允許時(shí)，選用具有屏蔽功能的元件。

應(yīng)用濾波器和抑制器：

在PCB設(shè)計(jì)中，利用濾波器濾除高頻噪聲和信號(hào)，抑制器則用于抑制電磁輻射和干擾源信號(hào)。

避免直角和過孔的產(chǎn)生：

直角會(huì)產(chǎn)生輻射，因此應(yīng)避免信號(hào)線過孔及其他元件形成90度角。

謹(jǐn)慎考慮過孔可能引發(fā)的電感和電容效應(yīng)。

采用屏蔽電纜和物理屏蔽措施：

對(duì)于承載數(shù)字電路和模擬電流的電纜，應(yīng)選用屏蔽電纜以減少電磁干擾。

高頻信號(hào)必須使用屏蔽電纜，并確保其雙面接地。

引入GI設(shè)計(jì)提升兼容性：

在PCB設(shè)計(jì)中，可以考慮引入地電網(wǎng)隔離(GI)設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提升電磁兼容性。

電磁干擾的根源與影響

PCB設(shè)計(jì)中的電磁干擾主要源自三個(gè)方面：輻射干擾、傳導(dǎo)干擾以及共模干擾。輻射干擾指電路中的高頻信號(hào)通過PCB布線及元器件向外發(fā)射電磁波，從而干擾周邊電子設(shè)備;傳導(dǎo)干擾則是通過電源線、信號(hào)線、地線等路徑在電路板內(nèi)傳輸?shù)母蓴_;而共模干擾則多發(fā)生在多條信號(hào)線之間的噪聲耦合，通常與共地或接地不良有關(guān)。這些干擾不僅損害PCB本身的性能，還可能對(duì)其他設(shè)備造成不利影響。因此，在PCB設(shè)計(jì)過程中采取適當(dāng)?shù)目垢蓴_措施顯得尤為重要。

PCB抗干擾技術(shù)的核心設(shè)計(jì)策略

精心的布局與走線設(shè)計(jì)

1 分區(qū)布局

在PCB設(shè)計(jì)中，根據(jù)電路的不同功能進(jìn)行合理的元器件分區(qū)布局是至關(guān)重要的。通常，PCB會(huì)被劃分為電源區(qū)、信號(hào)處理區(qū)、模擬電路區(qū)和數(shù)字電路區(qū)。為了降低數(shù)字電路產(chǎn)生的高頻噪聲對(duì)模擬信號(hào)的干擾，這些區(qū)域應(yīng)當(dāng)被恰當(dāng)分隔。同時(shí)，在電源區(qū)和敏感區(qū)域之間加入屏蔽層或?yàn)V波元件，可以進(jìn)一步強(qiáng)化電磁干擾的降低效果。

2 信號(hào)走線的優(yōu)化策略

在PCB設(shè)計(jì)中，信號(hào)走線的優(yōu)化是抗干擾技術(shù)的關(guān)鍵一環(huán)。為減少信號(hào)間的耦合干擾，應(yīng)盡可能避免長(zhǎng)距離并行走線，特別是對(duì)于高速信號(hào)線，其布局不當(dāng)極易產(chǎn)生電磁輻射，進(jìn)而干擾其他信號(hào)。此外，應(yīng)用3W原則也是優(yōu)化信號(hào)走線的重要手段。3W原則強(qiáng)調(diào)，信號(hào)線與信號(hào)線之間的距離應(yīng)至少為3倍的信號(hào)線寬度。遵循這一原則，可以顯著降低信號(hào)線間的電磁耦合，從而減少干擾的傳導(dǎo)。

3 差分信號(hào)與等長(zhǎng)走線

對(duì)于高速差分信號(hào)，如USB、HDMI等，其傳輸效果的關(guān)鍵在于差分對(duì)的兩條信號(hào)線是否緊密平行且等長(zhǎng)。差分信號(hào)的獨(dú)特之處在于，兩條線上的噪聲能夠相互抵消，從而增強(qiáng)了抗干擾能力。然而，若兩條信號(hào)線的長(zhǎng)度存在差異，將會(huì)導(dǎo)致時(shí)序偏差，進(jìn)而損害信號(hào)的完整性。因此，在設(shè)計(jì)和布局時(shí)，必須確保差分信號(hào)的等長(zhǎng)設(shè)計(jì)得到嚴(yán)格遵守。

接地設(shè)計(jì)與20H規(guī)則

1 多點(diǎn)接地與單點(diǎn)接地

在接地策略上，低頻電路常采用單點(diǎn)接地法，即所有電路的接地點(diǎn)都匯集到一個(gè)共同的接地參考點(diǎn)上。這種方法有助于減少接地環(huán)路噪聲的影響。而對(duì)于高頻電路，則更適合采用多點(diǎn)接地方式，因?yàn)樗苡行Эs短高頻電流的回流路徑，進(jìn)而降低因接地不良而產(chǎn)生的高頻輻射噪聲。

2 20H規(guī)則的應(yīng)用

20H規(guī)則是電源層與地層設(shè)計(jì)時(shí)的重要指南。它規(guī)定電源層的邊緣應(yīng)向內(nèi)縮進(jìn)20倍的層間距(H)，以減少電源層邊緣的電磁輻射干擾。例如，當(dāng)電源層與地層的距離設(shè)定為1mm時(shí)，電源層邊緣應(yīng)向內(nèi)縮進(jìn)20mm。這一設(shè)計(jì)原則對(duì)于降低電磁干擾至關(guān)重要。

屏蔽與濾波技術(shù)

1 電磁屏蔽的實(shí)施

在PCB設(shè)計(jì)中，特別是對(duì)于射頻(RF)電路或高速數(shù)字電路，電磁屏蔽是一種有效的干擾隔離措施。通過使用金屬屏蔽罩或屏蔽層，可以有效地阻隔外界電磁干擾，同時(shí)防止高頻信號(hào)向外輻射，確保周圍電路的穩(wěn)定性。

2 電源濾波設(shè)計(jì)

電源是電路中的主要干擾源之一。為了抑制高頻噪聲，可以在電源線上加裝去耦電容。通常，在電源輸入處會(huì)放置適當(dāng)容量的電容組合，如1μF和10μF的電容，以濾除高頻和低頻噪聲。此外，還可以通過增加磁珠或?yàn)V波電感來(lái)進(jìn)一步降低高頻干擾的影響。

PCB的層數(shù)與板厚設(shè)計(jì)

1 增加PCB層數(shù)

在高速電路設(shè)計(jì)中，采用多層PCB是降低干擾的重要手段。通過為電源、信號(hào)和接地分別設(shè)置專門的層，可以顯著減少層間的耦合干擾，并確保信號(hào)的完整性。此外，多層設(shè)計(jì)還能增強(qiáng)電源和平面間的分布電容，從而有助于抑制高頻噪聲。

2 控制PCB板厚與尺寸

合理控制PCB的板厚和尺寸也是減少電磁輻射干擾的關(guān)鍵。較厚的板材能提供更佳的電磁屏蔽效果，特別是在高頻電路中，板厚對(duì)干擾抑制能力的影響尤為顯著。同時(shí)，恰當(dāng)?shù)陌宄叽缒軌蚩s短信號(hào)線的長(zhǎng)度，從而降低電磁干擾的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵信號(hào)的保護(hù)措施

1 關(guān)鍵信號(hào)線的屏蔽

對(duì)于特別敏感或高速的信號(hào)，PCB設(shè)計(jì)中應(yīng)采取屏蔽措施。例如，可以將關(guān)鍵信號(hào)線與接地線平行布線，利用地線來(lái)屏蔽電磁輻射。

2 信號(hào)終端匹配

高速信號(hào)在傳輸過程中可能產(chǎn)生反射，影響信號(hào)的完整性。因此，對(duì)于高速信號(hào)線，應(yīng)加入適當(dāng)?shù)慕K端匹配電阻，以消除反射并減小電磁干擾。

以下是在PCB設(shè)計(jì)中避免電磁問題的七個(gè)關(guān)鍵技巧：

技巧1：優(yōu)化PCB接地設(shè)計(jì)

降低EMI的關(guān)鍵在于精心設(shè)計(jì)PCB的接地層。首要步驟是盡可能擴(kuò)大PCB電路板內(nèi)的接地面積，以減少發(fā)射、串?dāng)_和噪聲。在將各個(gè)元器件連接到接地點(diǎn)或接地層時(shí)，需格外小心，以確保能夠充分利用接地層的中和作用。

對(duì)于具有復(fù)雜電壓需求的PCB設(shè)計(jì)，理想情況是每個(gè)參考電壓都配備專門的接地層。然而，過多接地層會(huì)增加PCB的制造成本。因此，一種折衷方案是在三到五個(gè)不同位置設(shè)置接地層，每個(gè)接地層可包含多個(gè)接地部分，這樣既控制了成本又降低了EMI和EMC。

此外，為了最小化EMC，采用低阻抗接地系統(tǒng)至關(guān)重要。在多層PCB中，應(yīng)優(yōu)先選擇可靠的接地層而非銅平衡塊或零散的接地層，因?yàn)樗哂械妥杩固匦裕転殡娏魈峁┩?，并作為反向信?hào)源的最佳選擇。

信號(hào)返回地面的時(shí)間控制也至關(guān)重要。信號(hào)往返于信號(hào)源的時(shí)間必須保持一致，否則可能產(chǎn)生類似天線的效應(yīng)，使輻射能量成為EMI的一部分。同時(shí)，應(yīng)盡可能縮短向/從信號(hào)源傳輸電流的走線長(zhǎng)度，以避免因源路徑和返回路徑長(zhǎng)度不等而產(chǎn)生的接地反彈問題。

如果信號(hào)進(jìn)出信號(hào)源的時(shí)間不同步，就會(huì)產(chǎn)生類似天線的現(xiàn)象，導(dǎo)致能量輻射并引發(fā)EMI。

技巧2：區(qū)分EMI

在EMC設(shè)計(jì)中，一個(gè)重要的規(guī)則是將模擬電路和數(shù)字電路進(jìn)行分離。模擬電路由于電流較大，應(yīng)遠(yuǎn)離高速走線和開關(guān)信號(hào)，并盡可能使用接地信號(hào)進(jìn)行保護(hù)。在多層PCB上，模擬走線應(yīng)布置在同一個(gè)接地層上，而高速走線和開關(guān)走線則應(yīng)布置在另一個(gè)接地層上，以確保不同特性的信號(hào)得到有效分離。

此外，可以使用低通濾波器來(lái)消除與周圍走線耦合的高頻噪聲。濾波器能夠抑制噪聲并返回穩(wěn)定的電流，從而保護(hù)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的接地層不受干擾。由于模擬電路和數(shù)字電路具有不同的特性，因此將它們分開至關(guān)重要，以確保數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)分別接回各自的接地層。

在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，布局和設(shè)計(jì)工程師需要特別關(guān)注高速信號(hào)和時(shí)鐘。為了控制串?dāng)_、噪聲和輻射，高速信號(hào)和時(shí)鐘應(yīng)盡可能短并緊鄰接地層。同時(shí)，數(shù)字信號(hào)也應(yīng)遠(yuǎn)離電源平面，以避免產(chǎn)生噪聲或感應(yīng)。

技巧3：控制串?dāng)_和優(yōu)化走線

走線對(duì)于確保電流的正常流動(dòng)至關(guān)重要。特別是對(duì)于來(lái)自振蕩器或其他類似設(shè)備的電流，應(yīng)采取措施使其與接地層分離，或避免與另一條走線并行，以減少EMC和EMI的問題。兩個(gè)并行的高速信號(hào)會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_，因此必須優(yōu)化電阻路徑和返回電流路徑的長(zhǎng)度，確保兩者相等，以最小化串?dāng)_的影響。

在一個(gè)理想的、走線穩(wěn)定的環(huán)境中，感應(yīng)電流會(huì)相互抵消，從而有效減少串?dāng)_。然而，現(xiàn)實(shí)中總存在各種不完美因素，因此我們需要不斷努力將走線的串?dāng)_控制在最低水平。一種實(shí)用的方法是增加并行走線之間的寬度，例如，若走線寬度為5密耳，則兩者間的最小距離應(yīng)至少為10密耳或以上，以最大程度地降低串?dāng)_的影響。

隨著新材料和元器件的不斷發(fā)展，PCB設(shè)計(jì)人員面臨的新挑戰(zhàn)也不斷涌現(xiàn)。其中之一便是電磁兼容性和干擾問題。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，我們需要掌握一系列技巧，包括合理布置去耦電容、避免形成90°角、謹(jǐn)慎使用過孔以及采用電纜和物理屏蔽等措施。這些技巧將幫助我們?cè)O(shè)計(jì)出更加穩(wěn)健、可靠的PCB電路。

承載數(shù)字電路和模擬電流的電纜，由于寄生電容和電感的影響，常常引發(fā)一系列電磁兼容性問題。為了有效解決這些問題，我們可以采用雙絞線電纜，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)能夠降低耦合水平，從而消除產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾。而對(duì)于高頻信號(hào)的傳輸，則必須選用屏蔽電纜，確保其正面和背面都可靠接地，以徹底消除電磁干擾的影響。

通過這些技巧，工程師可以設(shè)計(jì)出更高效、更穩(wěn)定的電路板，減少電磁干擾，提高系統(tǒng)的整體性能。