EMC設(shè)計的PCB布局布線思路解析

我們解決EMC問題首先要了解電路中的差模電流和共模電流問題！

分析如下：

在上圖中；最右邊的共模實際上就是我們等效的輻射的信號源的等效天線模型－也稱天線模！

共模（CM）電流和差模（DM）電流

騷擾電流在導(dǎo)線上傳輸時有兩種方式：

共模電流：以相同的相位，往返于L，N線（或信號線）與地線之間的電流；

差模電流：往返于L和N線（或信號線與回流線）之間，并且幅度相同相位相反的電流．

一對導(dǎo)線上如流過差模電流則兩條線上的電流大小相等，方向相反。而一般有用信號也都是差模電流。

一對導(dǎo)線上如流過共模電流則兩條線上的電流方向相同。

騷擾電流在導(dǎo)線上傳輸時既可以差模方式出現(xiàn)，也可以共模方式出現(xiàn)． 但共模電流只有變成差模電流后，才能對有用信號構(gòu)成騷擾。

差模騷擾電壓： 線與線之間的騷擾電壓，會騷擾有用信號．

共模騷擾電壓： 即各條線與地之間的騷擾電壓，會產(chǎn)生很強的輻射騷擾和傳導(dǎo)騷擾，是電磁騷擾發(fā)射超標(biāo)的主要原因之一

共模電流和差模電流可同時存在于一對導(dǎo)線中

產(chǎn)生共模電流的原因：

A．某些點地電位過高，與參考地之間存在共模電壓，接有導(dǎo)線后產(chǎn)生共模電流；

B．外界電磁場在導(dǎo)線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而產(chǎn)生共模電流

我再來分析PCB布局布線思路！

大環(huán)面積帶來的問題：

A．輻射發(fā)射大，抗擾度差

B．磁通大，使串?dāng)_增大

電源完整性

A．當(dāng)大量芯片內(nèi)的電路輸出級同時動作時，會產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流，這時由于供電線路上的引線電感的影響，電源線上和地線上電壓就會波動和變化

B．良好的電源分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是電源完整性的保證

C．使用多層板，用電源平面代替電源線，降低供電線路上的引線電感．用接地平面代替地線，降低其引線電感．

D．電源平面和地平面相鄰，使環(huán)路面積為零．

放置去耦電容，0．1μF～1μF 電容放置在電路板的電源輸入端，而1000pF 電容則放置在電路板的每個有源器件的電源引腳和接地引腳上。

E．保證大電流器件電源的回流路徑暢通無阻

PCB表面安裝技術(shù)（SMT）

表面安裝技術(shù)（SMT）是70年代末發(fā)展起來的新型電子裝聯(lián)技術(shù)，SMT是包括表面安裝器件（SMD）、表面安裝元件（SMC）、表面安裝印制電路板（SMB）以及表面安裝設(shè)備、在線測試等的總稱。

曲線1為僅由單層板跡線引起的輻射，可見，輻射場強最大；

曲線2為同一單層板上，標(biāo)準(zhǔn)芯片的輻射；

曲線3為SMC芯片的輻射；

曲線4為由SMC所采用的多層板跡線的輻射，可見，減小了許多。

在印制板級控制電磁發(fā)射和抗擾度

印制板的EMC設(shè)計是產(chǎn)品EMC設(shè)計的基礎(chǔ)

A．PCB設(shè)計即印制電路板．是在絕緣基材上，按預(yù)定設(shè)計，制成印制線路，印制元件或由兩者組合而成的導(dǎo)電圖形后制成的板。

B．它作為元器件的支撐，并且提供系統(tǒng)電路工作所需要的電氣連接，是實現(xiàn)電子產(chǎn)品小型化、輕量化、裝配機械化和自動化的重要基礎(chǔ)部件，在電子工業(yè)中有廣泛應(yīng)用。

PCB的分類

A．按所用基材的機械特性?？梢苑譃閯傂噪娐钒澹≧igidPCB） 、柔性電路板（Flex PCB）以及剛性柔性結(jié)合的電路板（Flex－Rigid PCB）

B．按導(dǎo)體圖形的層數(shù)可分為單面／雙面和多層印制板。目前使用的電路板多為高密度互連多層電路板（high density integrated board）。

剛性PCB

A．剛性PCB的通常使用紙質(zhì)基材或玻璃布基材覆銅板制成，裝配和使用過程不可彎曲。

B．剛性多層板又可分為普通多層板，帶有激光孔的多層板和特殊結(jié)構(gòu)多層板如（ALIVH等）

C．剛性板的特點是可靠性高，成本較低，但應(yīng)用的靈活性差

普通多層板

A．機械鉆孔可以貫穿所有線路層（通孔）或只貫穿部分線路層（盲，埋孔）

B．線寬線距最小0．1mm。機械鉆孔一般孔徑大于0．2mm

C．優(yōu)點：成本低，加工周期短

D．缺點：鉆孔較大，布線密度比較低

E．適用于比較簡單的電路．

激光鉆孔多層板

A．激光鉆孔精度高，電鍍后性能可靠

B．鉆孔直徑可小于0．1mm，節(jié)省pcb的表面安裝面積，走線密度較高

C．目前能夠加工的廠家比較多。

D．根據(jù)電路的復(fù)雜程度可以選擇不同的疊層結(jié)構(gòu)，易于控制成本

柔性板

A．柔性板（FPC）是使用可撓性基材制成的電路板，成品可以立體組裝甚至動態(tài)應(yīng)用

B．柔性板加工工序復(fù)雜，周期較長

C．柔性板的優(yōu)勢在于應(yīng)用的靈活，但是其布線密度仍然無法和剛性板相比

D．柔性板的主要成本取決于其材料成本

PCB設(shè)計的原則

A．電氣連接的準(zhǔn)確性

B．電路板的可測試性

C．可靠性和環(huán)境適應(yīng)性

D．工藝性（可制造性）

E．經(jīng)濟性等

高速設(shè)計的挑戰(zhàn)

隨著系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜性和集成度的大規(guī)模提高，電子系統(tǒng)的工作頻率已經(jīng)達到百兆甚至千兆的數(shù)量級。

當(dāng)系統(tǒng)工作在50MHz時，將產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)和信號的完整性問題；而當(dāng)系統(tǒng)時鐘達到120MHz時，除非使用高速電路設(shè)計知識，否則基于傳統(tǒng)方法設(shè)計的PCB將無法工作。

單面板設(shè)計

單面板制造簡單，裝配方便，適用于一般電路要求，不適用于要求高的組裝密度或復(fù)雜電路的場合。

如果印制電路板的布局設(shè)計合理，也可以實現(xiàn)電磁兼容性。 ?

線路板走線的阻抗問題

精心的走線設(shè)計可以在很大程度上減少走線阻抗造成的騷擾。當(dāng)頻率超過數(shù)kHz時，導(dǎo)線的阻抗主要由導(dǎo)線的電感決定，細而長的回路導(dǎo)線呈現(xiàn)高電感（典型lOnH／cm），其阻抗隨頻率增加而增加。如果設(shè)計處理不當(dāng)，將引起共阻抗耦合。

減小電感的方法有兩個：

A．盡量減小導(dǎo)線的長度，如果可能，增加導(dǎo)線的寬度

B．使回流線盡量與信號線平行并靠近

導(dǎo)線的電感可以用下式計算：

L＝0．002ln（2ph／W） ?（？H／cm）

式中：h是導(dǎo)線距離地線的高度，w是導(dǎo)線的寬度。高頻時，對阻抗影響最大的是導(dǎo)線的長度，寬度、直徑都是較次要的因素。

由于阻抗與走線寬度是對數(shù)關(guān)系，將寬度增加一倍僅使電感減少75％。

導(dǎo)線的電感也可用下式近似計算：

L＝0．2 S ［ln（2 S／W） ＋ 0．5 ＋ 0．2 W／S ］（nH）

當(dāng)：S／W ＞ 4

則：L ＝ 0．2 S［ln（2 S／W）］（nH）

式中，S為導(dǎo)線的長度（m）W為導(dǎo)線的寬度（m）。

兩根載有相同方向電流的導(dǎo)線的電感為：

L ＝?（L1 L2 －M2）／ （L1＋ L2 － 2M）

式中， ?L1、L2分別為導(dǎo)線1和導(dǎo)線2的自感，M為互感。

當(dāng)：L1 ＝ L2

則：L ＝ （L1 ＋M） ／ 2

兩根電流方向相反的平行導(dǎo)線，由于互感作用，能夠有效地

減少電感，可表示為：

L ＝ L1 ＋L2 － 2M ?當(dāng)細導(dǎo)線相距1厘米以上時，互感可以忽略。

線路板走線的電感結(jié)構(gòu)圖如下：

A．兩根帶互感的，載有相同方向電流的平行導(dǎo)線，并連后的電感：L＝（L1＋M）／2

所以，可以通過多條導(dǎo)線并聯(lián)來減小電感，M愈小，愈明顯．例：兩根長5cm，d＝ 0．5cm的導(dǎo)線，當(dāng)L1＝30nH，M＝6nH時，L＝18nH；M＝0時，L＝15nH．

B．兩根帶互感的，載有相反方向電流的導(dǎo)線，串聯(lián)后的電感：L＝L1＋L2—2M，M愈大，L愈?。?dāng)M＝L1，L1＝L2時，L＝0．信號線與回流線“形影不離”，電源線與地線也“形影不離”，都保證了L＝0，阻抗為零，電磁騷擾發(fā)射為零．

PCB印制板布線

在印制板布線時，應(yīng)先確定元器件在板上的位置，然后布置地線、電源線，再安排高速信號線，最后考慮低速信號線。

元器件的位置應(yīng)按電源電壓、數(shù)字及模擬電路、速度快慢、電流大小等進行分組，以免相互干擾。根據(jù)元器件的位置可以確定印制板連接器各個引腳的安排。所有連接器應(yīng)安排在印制板的一側(cè)，盡量避免從兩側(cè)引出電纜，減少共模輻射。

（1）電源線

在考慮安全條件下，電源線應(yīng)盡可能靠近地線，以減小差模輻射的環(huán)面積，也有助于減小電路的交擾。

（2）時鐘線、信號和地線的位置信號線與地線距離應(yīng)較近，形成的環(huán)面積較小。

PCB布局小結(jié)

合理的布局是PCB設(shè)計成功的第一步．應(yīng)在自動布局的基礎(chǔ)上，用交互式布局進行調(diào)整．

A．首先，要考慮PCB尺寸大小，過大時，印制線條長，阻抗增加，抗擾能力下降，成本也增加．過小時，散熱不好，串?dāng)_增加．

B．其次，按不兼容分割原則，確定特殊元器件位置．輸入輸出元件盡量遠離，兼顧美觀；

C．再次，把連線關(guān)系密切的元器件盡量放在一起，尤其要使高速線盡量短；

D．最后，按照電路流程安排各功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接，對全部元器件進行布局。

E．PCB是各類元器件的支撐件，并為它們提供互連，提供所要求的電氣特性，如特性阻抗元器件等．

F．產(chǎn)品的高速，高密度，大容量化要求，又提出了許多新的功能要求，例如，信號完整性，防EMI對策等．

G．PCB設(shè)計就是把原理圖變成PCB電路板，這不是一件容易的事情．普通PCB，只要做到布局布線合理即可；對多層板高速PCB，布線長度要嚴格限制，克服反射和串?dāng)_．實踐證明，即使電路原理圖設(shè)計正確，PCB設(shè)計不當(dāng)，也會對產(chǎn)品造成不良后果．布線過程限定最高，技術(shù)最細，工作量最大．

PCB布線要求

A．電源線，地線加去耦電容；寬度： 地線＞電源線＞信號線

多層板

B．?dāng)?shù)字，模擬共地處理

數(shù)字電路頻率高，模擬電路敏感度高．器件，信號線都要遠離

數(shù)字地，模擬地只有一點連接 ?

C．相鄰兩層的布線要互相垂直，防止感應(yīng)耦合

D．輸入輸出端用的導(dǎo)線應(yīng)避免相鄰平行，必要時加線間地線

E．采用大面積銅箔時，應(yīng)采用柵格狀，以免長期受熱后，發(fā)生膨脹和脫落，也有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體

F．大功率RF信號線放在PCB的中間層，并良好接地減少輻射

G直角走線等效為容性負載，阻抗減小，減緩tr，并造成反射，同時在直角尖端產(chǎn)生電磁騷擾發(fā)射

雙面板布線設(shè)計

地線面

地線網(wǎng)格的極端形式是平行的導(dǎo)線無限多，構(gòu)成了一個連續(xù)的導(dǎo)體平面，這個平面稱為地線面。這在多層板中很容易實現(xiàn)，它能提供最小的電感。這種結(jié)構(gòu)特別適合于射頻電路和高速數(shù)字電路。通常的四層板中專門設(shè)置一個電源面，它能夠在高頻時提供一個低的“源－地”阻抗。

環(huán)路面積

地線面的一個主要好處是能夠使輻射的環(huán)路最小。這保證了PCB的最小差模輻射和對外界騷擾的敏感度。

輸入輸出地的結(jié)構(gòu)

為了減小電纜上的共模輻射，需要對電纜采取濾波和屏蔽技術(shù)。但不論濾波還是屏蔽都需要一個沒有受到內(nèi)部騷擾污染的干凈地。

當(dāng)?shù)鼐€不干凈時，濾波在高頻時幾乎沒有作用。除非在布線時就考慮這個問題，一般這種干凈地是不存在。

干凈地既可以是PCB上的一個區(qū)域，也可以是一塊金屬板。

所有輸入輸出線的濾波和屏蔽層必須聯(lián)到干凈地上。干凈地與內(nèi)部的地線只能在一點相連。這樣可以避免內(nèi)部信號電流流過干凈地，造成污染。

多層板布線設(shè)計

對高速邏輯電路設(shè)計，使用單層板不能滿足電磁兼容性要求時；應(yīng)該研究多層板的應(yīng)用。

①多層印制板設(shè)計

多層印制板設(shè)計中遇到的主要問題是電磁兼容設(shè)計。

多層印制板設(shè)計要決定選用的多層印制板的層數(shù)。多層印制板的層間安排隨著電路而變，但應(yīng)有以下共同原則：

（1）電源平面應(yīng)靠近接地平面，并且安排在接地平面之下。

這樣可以利用兩金屬平板間的電容作電源的平滑電容，同時接地平面還對電源平面上分布的輻射電流起到屏蔽作用。

（2）布線層應(yīng)安排與整塊金屬平面相鄰。這樣的安排是為了產(chǎn)生通量對消作用。

布線層安排

A．PCB由電源層，接地層和信號層組成．合理選擇層數(shù)，能減小PCB尺寸，能充分利用中間層設(shè)置屏蔽，實現(xiàn)就近接地，有效降低寄生電感，縮短信號傳輸長度，大幅降低信號交叉干擾等．四層板比雙面板的騷擾發(fā)射低20dB．當(dāng)然，層數(shù)越多，制造工藝越復(fù)雜，成本也越高．

B．S－－布線層，必須與接地層或電源層相鄰；G—接地層 P—電源層

G，P兩者必須相鄰，否則S間存在串?dāng)_，GP間存在最大環(huán)流，多電源供電時，各P之間由G隔開，以免P間AC耦合．

C．決定層數(shù)的因素：功能要求，信號分類隔離要求，阻抗控制要求，元器件密度，布線條數(shù)，振鈴限制等．

（3）把數(shù)字電路和模擬電路分開，有條件時將數(shù)字電路和模擬電路安排在不同層內(nèi)。如果一定要安排在同層，可采用開溝、加接地線條、分隔等方法補救。模擬的和數(shù)字的地、電源都要分開，不能混用。

數(shù)字信號有很寬的頻譜，是產(chǎn)生騷擾的主要來源。

（4）在中間層的印制線條形成帶狀線，在表面層形成微帶線，兩者傳輸特性不同。

（5）時鐘電路和高頻電路是主要的騷擾和輻射源，一定要單獨安排、遠離敏感電路。

（6）不同層所含的雜散電流和高頻輻射電流不同，布線時，不能同等看待。

多層印制板設(shè)計中有兩個基本原則用來確定印制線條間距和邊距20－H原則 所有的具有一定電壓的印制板都會向空間輻射電磁能量，為減小這個效應(yīng)，線路面的物理尺寸都應(yīng)該比最靠近的接地板的物理尺寸小20H，其中H是兩層印制板的問距。

當(dāng)尺寸小至10H時，輻射強度開始下降，

當(dāng)尺寸小至20H時，輻射強度下降70％。

根據(jù)20－H原則，按照一般典型印制板尺寸，20H一般為3mm左右。

旁路電容與去耦電容的設(shè)計

設(shè)計印制板時經(jīng)常要在電路上加電容器來滿足數(shù)字電路工作時要求的電源平穩(wěn)和潔凈度。電路中的電容可分為去耦電容、旁路電容和容納電容三類。

去耦電容用來濾除高速器件在電源板上引起的騷擾電流，為器件提供一個局域化的直流，還能減低印制電路中的電流沖擊的峰值。

旁路電容能消除印制板上的高頻輻射噪聲，又稱為整體去耦電容．一般為去耦電容量的10倍以上．電解電容則配合去耦電容濾除△I噪聲。

時鐘電路的電磁兼容設(shè)計

時鐘電路在數(shù)字電路中占有重要地位。同時時鐘電路也是產(chǎn)生電磁輻射的主要來源。一個具有2ns上升沿的時鐘信號輻射能量的頻譜可達160MHz，其可能輻射帶寬可達十倍頻，即能達到1．6GHz。因此，設(shè)計好時鐘電路是保證達到整機輻射指標(biāo)的關(guān)鍵。

時鐘電路設(shè)計主要的問題有如下兩個方面。

1．減小時鐘環(huán)路面積；

2．傳輸延遲和阻抗匹配；其相關(guān)計算公式如下：

由于集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，其速度，規(guī)模和功能不斷擴大．隨著主頻的提高，布線密度的增加以及大量數(shù)?；旌想娐返膽?yīng)用，對以時鐘為代表的高速電路設(shè)計的要求越來越高．而且，它還是主要的騷擾源．因此，做好時鐘電路設(shè)計，是保證產(chǎn)品通過EMC試驗的關(guān)鍵

A．減小時鐘環(huán)路面積，可減小差模和共模輻射，并減小感應(yīng)耦合和串?dāng)_

B．PCB或MCM中的傳輸線類型：

傳輸線包括信號路徑和返回路徑

A．微帶線：PCB外層的走線，只有一根帶狀導(dǎo)線和一個參考面．類型：埋式或非埋式如果線的厚度，寬度，介質(zhì)的介電常數(shù)以及與參考面之間的距離是可控的，則它的特性阻抗也是可控的．

B．帶狀線：介于兩個參考面之間的內(nèi)層走線． 類型：埋式或非埋式如果線的厚度，寬度，介質(zhì)的介電常數(shù)以及與參考面之間的距離是可控的，則它的特性阻抗也是可控的．此外還有同軸線（Zc＝50Ω，75Ω）和雙絞線（Zc＝110Ω）