EMC的PCB设计技术
时间：2023-10-19 16:07:00
EMC的PCB设计技术
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- 一、PCB 分层策略
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- 1.布线层的投影平面应在其回流平面区域内
- 2.尽量避免布线层相邻的设置
- 3.相邻平面层应避免投影平面重叠
- 二、多层板设计
- 三、单板和双板设计
- 四、PCB 布局技巧
- 五、PCB 布线规则
除了部件的选择和电路设计外，电路板印刷良好（PCB）设计也是电磁兼容性是一个非常重要的因素。
PCB EMC 设计的关键是尽量减少回流面积，使回流路径按设计方向流动。最常见的返回电流问题来自于流经连接器的参考平面裂缝、变换参考平面层和信号。
跨接电容器或去耦电容器可以解决一些问题，但必须考虑电容器、过孔、焊盘和布线的整体阻抗。
文章将从 PCB 介绍了分层策略、布局技巧和布线规则 EMC 的 PCB 设计技术。
一、PCB 分层策略
厚度、过孔工艺和电路板层数不是解决问题的关键，优良的分层堆叠是保证电源汇流排的旁路和去耦使电源层或接地层上的瞬态电压最小化，屏蔽信号和电源的电磁场。
从信号走线来看，好的分层策略应该是把所有的信号走线放在一层或若干层，这些层紧挨着电源层或接地层。对於电源，好的分层策略应该是电源层与接地层相邻，且电源层与接地层的距离尽可能小，这就是我们所讲的“分层”策略。下面我们将具体谈谈优良的 PCB 分层策略。
1.布线层的投影平面应在其回流平面区域内
如果布线层不在其回流平面层的投影区域内，投影区域外会出现信号线，导致边缘辐射问题，增加信号回路面积，增加差模辐射。
2.尽量避免布线层相邻的设置
由于相邻布线层上的平行信号布线会导致信号串扰，如果布线层相邻，应适当扩大两层布线层之间的层间距，缩小布线层与信号电路之间的层间距。
3.相邻平面层应避免投影平面重叠
当投影重叠时，层与层之间的耦合电容会导致各层之间的噪声相互耦合。
二、多层板设计
超过时钟频率 5MHz，或者信号上升时间小于 5ns 为了很好地控制信号电路面积，一般需要使用多层板设计。设计多层板时应注意以下原则：
1.关键布线层(时钟线、总线、接口信号线、射频线、复位信号线、片选信号线、各种控制信号线等。)应与完整的地平面相邻，并在两个地平面之间进行优化，如图所示 1 所示。
关键信号线通常是强辐射或极其敏感的信号线。靠近地平面布线可以减少其信号电路面积，降低其辐射强度或提高抗干扰能力。
图 1 两个平面之间的关键布线层
2.与相邻地平面相比，电源平面应内缩(推荐值) 5H～20H）。与回流地平面内缩相比，电源平面能有效抑制边缘辐射问题 2 所示。
图 2 与相邻地平面相比，电源平面应缩小
此外，单板主工作电源平面（使用最广泛的电源平面）应靠近其地平面，以有效降低电源电流的电路面积，如图所示 3 所示。
图 3 电源平面应靠近其地平面
3、单板 TOP、BOTTOM 层是否无≥50MHz 的信号线。如有，最好在两个平面层之间走高频信号，以抑制其对空间的辐射。
三、单板和双板设计
对于单层板和双层板的设计，关键信号线和电源线的设计。
为了减少电源电流电路的面积，必须在电源接线附近有接地线和平行接线。
单层板关键信号线两侧应布置Guide Ground Line”，如图 4 所示。双层板的关键信号线投影平面应大面积铺设，或与单层板相同处理，设计Guide Ground Line”，如图 5 所示。一方面，关键信号线两侧的安全地线可以减少信号电路面积，防止信号线与其他信号线之间的串扰。
图 4 单层板关键信号线两侧布Guide Ground Line”
图 5 双层板关键信号线投影平面大面积铺设
总的来说，PCB 板的分层可根据下表设计。
四、PCB 布局技巧
PCB 布局设计时，应充分遵循沿信号流直线放置的设计原则，尽量避免来回环绕，如图所示 6 所示。
这避免直接耦合信号，影响信号质量。
此外，为防止电路与电子元件之间的相互干扰和耦合，电路的放置和元件的布局应遵循以下原则：
图 6 沿信号流直线放置电路模块
1.如果接口设计在单板上干净地，则应将滤波器和隔离器放置在干净地和工作场所之间的隔离带上。这样可以避免滤波或隔离器件通过平面层互相耦合，削弱效果。此外，“干净地”上，除了滤波和防护器件之外，不能放置任何其他器件。
2.多个模块电路在同一个模块中 PCB 放置时，数字电路和模拟电路、高速和低速电路应分开布置，以避免数字电路、模拟电路、高速电路和低速电路之间的相互干扰。此外，当电路板上同时存在高、中、低速电路时，为避免高频电路噪声通过接口辐射，应遵循图纸 7 布局原则。
图 7 高、中、低速电路布局原则
3.线路板电源输入口的滤波电路应放置在接口附近，以避免过滤后的线路再次耦合。
图 8 电源输入口的滤波电路应靠近接口
4.接口电路的滤波、保护和隔离器件放置在接口附近，如图所示 9 可有效实现保护、滤波和隔离的效果。如果接口处有滤波器和保护电路，则应遵循先保护后滤波器的原则。由于保护电路用于抑制外部过压和过流，如果保护电路放置在过滤电路后，过滤电路将被过压和过流损坏。
此外，由于电路的输入输出线相互耦合会削弱滤波、隔离或保护效果，因此应确保滤波电路（滤波器）、隔离和保护电路的输入输出线不相互耦合。
图 9 接口电路的滤波、保护和隔离设备靠近接口
5.敏感电路或器件(如复位电路等。)远离单板的边缘，尤其是单板接口的边缘。 1000mil。
6.电流变化较大的单元电路或设备储能和高频滤波电容应放置在电源模块的输入输出端、风扇和继电器附近，以减少大电流电路的电路面积。
7.滤波器应并排放置，以防止滤波后电路再次干扰。
8.晶体、晶体振动、继电器、开关电源等强辐射器件至少远离单板接口连接器 1000mil。这可以直接向外辐射干扰或将电流耦合到外出电缆上。
五、PCB 布线规则
除部件选择和电路设计外，印刷电路板好（PCB）布线也是电磁兼容性中非常重要的因素。既然 PCB 它是系统的固有成分 PCB 电磁兼容性的增强不会给产品的最终完成带来额外的成本。
每个人都应该记住一个拙劣的人 PCB 布线能导更多的电磁兼容问题，而不是消除这些问题，在很多例子中，就算加上滤波器和元器件也不能解决这些问题**。到最后，不得不对整个板子重新布线**。
因此，在开始时养成良好的 PCB 布线习惯是最省钱的办法。下面将对 PCB 布线的一些普遍规则和电源线、地线及信号线的设计策略进行介绍，最后，根据这些规则，对空气调节器的典型印制电路板电路提出改进措施。
1、布线分离：布线分离的作用是将 PCB 同一层内相邻线路之间的串扰和噪声耦合最小化。3W 规范表明所有的信号（时钟，视频，音频，复位等等）都必须象图 10 所示那样，在线与线，边沿到边沿间予以隔离。
为了进一步的减小磁耦合，将基准地布放在关键信号附近以隔离其他信号线上产生的耦合噪声。
图 10 线迹隔离
2、保护与分流线路：设置分流和保护线路是对关键信号，比如对在一个充满噪声的环境中的系统时钟信号进行隔离和保护的非常有效的方法。在图 21 中，PCB 内的并联或者保护线路是沿着关键信号的线路布放。
保护线路不仅隔离了由其他信号线上产生的耦合磁通，而且也将关键信号从与其他信号线的耦合中隔离开来。
分流线路和保护线路之间的不同之处在于分流线路不必被端接（与地连接），但是保护线路的两端都必须连接到地。为了进一步的减少耦合，多层 PCB 中的保护线路可以每隔一段就加上到地的通路。
图 11 分流和保护线路
3、电源线设计：根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。
在单面板或双面板中，如果电源线走线很长，应每隔 3000mil 对地加去耦合电容，电容取值为 10uF＋1000pF。
4、地线设计：地线设计的原则如下几点所示。
(1)数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而租，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。
(2)接地线应尽量加粗。若接地线用很纫的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能，接地线应在 2~3mm 以上。
(3)接地线构成闭环路。只由数字电路组成的印制板，其接地电路布成团环路大多能提高抗噪声能力。
5、信号线设计：对于关键信号线，如果单板有内部信号走线层，则时钟等关键信号线布在内层，优先考虑优选布线层。
另外，关键信号线一定不能跨分割区走线，包括过孔、焊盘导致的参考平面间隙，否则会导致信号回路面积的增大。
而且关键信号线应距参考平面边沿≥3H（H 为线距离参考平面的高度），以抑制边缘辐射效应。
对于时钟线、总线、射频线等强辐射信号线和复位信号线、片选信号线、系统控制信号等敏感信号线，应远离接口外出信号线。从而避免强辐射信号线上的干扰耦合到外出信号线上，向外辐射；也避免接口外出信号线带进来的外来干扰耦合到敏感信号线上，导致系统误操作。
对于差分信号线应同层、等长、并行走线，保持阻抗一致，差分线间无其它走线。因为保证差分线对的共模阻抗相等，可以提高其抗干扰能力。
根据以上布线规则，对空气调节器的典型印制电路板电路进行改进优化，如图 12 所示。
图 12 改进空气调节器的典型印制电路板电路
总体来说，PCB 设计对 EMC 的改善是：在布线之前，先研究好回流路径的设计方案，就有最好的成功机会，可以达成降低 EMI 辐射的目标。而且在还没有动手实际布线之前，变更布线层等都不必花费任何钱，是改善 EMC 最便宜的做法。
