PCB工程師詳細講解基于EMC的PCB設計

簡介

PCB是英文printed circuit board的縮寫。 一般來說，印刷電路是指按照預定設計在絕緣材料上由印刷電路、印刷元件或兩者制成的導電圖案。 在絕緣基板上提供元件之間電氣連接的導電圖案稱為印制電路。 這樣，印制電路或印制電路的成品板就稱為印制電路板，也稱為印制板或印制電路板。 幾乎所有我們能看到的電子設備都離不開PCB，從電子表、計算器和通用計算機到計算機、通訊電子設備、航空、航天和軍用武器系統。 只要有集成電路和其他電子元件，PCB就用于它們之間的電氣互連。 其性能直接關系到電子設備的質量。 隨著電子技術的飛速發展，電子產品越來越趨于高速、高靈敏度、高密度。 這種趨勢導致了PCB設計中電磁兼容性（EMC）和電磁干擾的嚴重問題。 EMC設計已成為PCB設計中亟待解決的技術問題。

1 電磁兼容性

電磁兼容性（EMC）是一門新興的綜合學科，主要研究電磁干擾和抗干擾。 電磁兼容性是指在規定的電磁環境水平下，電子設備或系統不會因電磁干擾而降低其性能指標，同時其產生的電磁輻射不會超過限定的限值水平，不會影響電子設備或系統的性能。 保證其他系統的正常運行，達到設備與系統之間互不干擾、可靠工作的目的。 電磁干擾（EMI）是由電磁干擾源通過耦合路徑將能量傳輸到敏感系統引起的。 它包括三種基本形式：電線和公共地線傳導、空間輻射或近場耦合。 實踐證明，即使電路原理圖設計正確，印刷電路板設計不當，也會對電子設備的可靠性產生不利影響，因此保證印刷電路板的電磁兼容性是整個系統設計的關鍵 。

1.1 電磁干擾（EMI）

當EMI問題出現時，需要用三個要素來描述：干擾源、傳播路徑和接收器。因此，如果我們想要減少電磁干擾，就需要想辦法處理這三個要素。 現在我們主要討論印刷電路板的布線技術。

2 印制電路板的布線技術

良好的 PCB 布線是 EMC 的一個非常重要的因素。

2.1 PCB的基本特性

PCB由垂直堆疊上的一系列層壓、布線和預浸處理組成。 在多層PCB中，設計者會將信號線布在最外層，以方便調試。PCB上的布線具有阻抗、電容和電感特性。

阻抗：布線的阻抗由銅的重量和橫截面積決定。 例如，一盎司銅的阻抗為 0.49 m Ω/單位面積。 電容：布線的電容由絕緣體（EoEr）、電流范圍（A）和布線間距（h）決定。 方程表示為C=EoErA/h，Eo是自由空間的介電常數（8.854 pF/m），Er是PCB基板的相關介電常數（FR4軋制中為4.7)。

電感：布線的電感均勻分布在布線中，約為1nH/m。

對于1盎司的銅線，在0.25mm（10mil）厚的FR4的軋制條件下，接地層上方0.5mm（20mil）寬、20mm（800mil）長的導線可產生9.8mΛ的阻抗， 電感為 20 nH，與地耦合電容為 1.66 pF。 將上述值與元件的寄生效應進行比較，這些可以忽略不計，但所有布線的總和可能超過寄生效應。 因此，設計者必須考慮到這一點。 PCB 布線的一般準則：

(1)增加導線之間的距離，減少電容耦合的串擾；

(2)電源線和地線平行分布，優化PCB電容；

(3)敏感高頻線應遠離高噪聲電源線；

(4)加寬電源線和地線，降低電源線和地線的阻抗。

2.2 細分

劃分是指物理上的劃分，以減少不同類型線路之間的耦合，特別是通過電源線和地線。

使用劃分技術劃分 4 種不同類型電路的示例。 在接地平面上，使用非金屬溝槽來隔離四個接地平面。 L和C作為電路板各部分的濾波器，以減少不同電路的電源面之間的耦合。 高速數字電路因其較高的瞬時功率需求而需要放置在電源入口處。 接口電路可能需要用于靜電放電（ESD）和瞬態抑制的器件或電路。 對于L和C，最好使用不同的L和C值，而不是使用一個大的L和C，因為這樣可以為不同的電路提供不同的濾波特性。

2.3 本地電源與IC之間的去耦

局部去耦可以減少沿電源的噪聲傳播。 連接在電源輸入端口和PCB之間的大容量旁路電容充當低頻紋波濾波器，并作為潛在的存儲來滿足突然的電源需求。 另外，每個IC的電源和地之間應該有去耦電容。 這些去耦電容應盡可能靠近引腳。 這將有助于過濾 IC 的開關噪聲。

2.4 接地技術

接地技術適用于多層PCB和單層PCB。 接地技術的目標是最小化接地阻抗，從而降低從電路回到電源的接地環路的電勢。

(1)單層PCB的地線

在單層（單面）PCB中，接地線的寬度應盡可能寬，至少為1.5毫米（60密爾）。 由于星形布線無法在單層PCB上實現，因此跳線和地線寬度的變化應保持在最小限度，否則線路阻抗和電感將發生變化。

(2)雙層PCB的接地線

在雙層（雙面）PCB中，數字電路優先采用地網格/點陣布線，這樣可以減少地阻抗、地環路和信號環路。 單層PCB中，地線和電源線的寬度至少為1.5mm。 另一種布局是將接地層放置在一側，將信號線和電源線放置在另一側。 在這種布置中，接地電路和阻抗將進一步減小，并且去耦電容可以盡可能靠近IC電源線和地平面放置。

(3) 保護環

保護環是一種接地技術，可以隔離環外的噪聲環境（如射頻電流），因為正常工作時沒有電流流過保護環。

(4)PCB電容

在多層板上，PCB電容是由將電源表面與地分開的薄絕緣層產生的。 在單層板上，電源線和地線的平行敷設也會導致這種電容效應。 PCB電容器的優點之一是它具有非常高的頻率響應和均勻分布在整個表面或整條線路上的低串聯電感。 相當于整個板上均勻分布的去耦電容。 沒有任何一個分立元件具有此功能。

(5)高速電路和低速電路

高速電路應靠近地面布置，低速電路應靠近電源面布置。

(6)地面填銅

在一些模擬電路中，未使用的電路板區域被大片地覆蓋，以提供屏蔽并增加去耦能力。 但是，如果銅區域是懸空的（例如，沒有接地），則可能會充當天線并導致電磁兼容性問題。

(7) 多層PCB中的接地層和電源層

在多層PCB中，接地層和電源層通常都是平面銅區域，它們覆蓋整個內部層，以提供均勻的地和電源分布。這有助于提高信號完整性、降低電路的噪聲水平，并簡化PCB布線。同時，良好的接地層和電源層布局可以減少電磁干擾，提高電路的抗干擾能力。