PCB新聞 - 基於電磁相容性的PCB設計

0前言

PCB是印刷電路板的英文縮寫. 通常地, 印製電路製成的導電圖案, 根據預定設計在絕緣材料上的印刷元件或兩者的組合稱為印刷電路. 在絕緣基板上的組件之間提供電力連接的導電圖案稱為印刷電路. 這樣, 印刷電路或印刷電路的成品板稱為印刷電路板, 也稱為印刷電路板或印刷電路板. PCB板 幾乎所有我們能看到的電子設備都離不開, 來自電子手錶, 小算盘, 通用電腦, 到電腦, 通信電子設備, 航空, 航空航太, 軍事武器系統, 只要有集成電路等電子元件. 設備及其電力互連均使用PCB, 其效能直接關係到電子設備的質量. 隨著電子技術的飛速發展, 電子產品正變得越來越高速, 高靈敏度, 和高密度. This trend has led to serious electromagnetic compatibility (EMC) and electromagnetic interference problems in PCB circuit board design. 電磁相容設計已成為當今迫切需要解决的科技問題 PCB設計.

1電磁相容性

電磁相容（簡稱電磁相容）是一門新興的綜合性學科，主要研究電磁干擾和抗干擾問題。 電磁相容是指電子設備或系統在規定的電磁環境水准下，不因電磁干擾而降低性能指標，且其產生的電磁輻射不大於限制水准，不影響其他系統的正常運行。 並實現設備與設備、系統與系統之間互不干擾、可靠協同工作的目標。 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3種基本形式：導線和公共地線傳導，以及通過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。 囙此，確保印刷電路板的電磁相容性是整個系統設計的關鍵。

1.1電磁干擾（EMI）

當出現電磁干擾問題時，需要用3個元素來描述：干擾源、傳播路徑和接收器。

囙此，如果我們想减少電磁干擾，我們必須考慮解决這3個因素。 下麵我們主要討論印刷電路板的佈線科技。

2印刷電路板的佈線科技

良好的印刷電路板（PCB）佈線是電磁相容性的一個非常重要的因素。

2.1印刷電路板的基本特性

PCB由垂直堆疊上的一系列層壓、佈線和預浸料處理組成。 在多層PCB中，設計者將在最外層佈置訊號線，以便於調試。

PCB上的佈線具有阻抗、電容和電感特性。

阻抗：佈線的阻抗由銅的重量和橫截面積决定。 例如，一盎司銅的組織面積阻抗為0.49 mÎ）。 電容：線路的電容由絕緣體（EoEr）、電流範圍（A）和線間距（h）决定。 由方程C=EoErA/h表示，Eo是自由空間的介電常數（8.854 pF/m），Er是PCB基板的相對介電常數（FR4軋製中為4.7）。

電感：導線的電感均勻分佈在導線中，約為1 nH/m。

對於1盎司銅線，在外徑條件下，在25毫米（10密耳）厚FR4軋製的情况下，接地層上方0.5毫米（20密耳）寬和20毫米（800密耳）長的導線可以產生9.8 mˆ§阻抗，20 nH電感和1.66 pF與地面的耦合電容。 將上述值與部件的寄生效應進行比較，可以忽略不計，但所有接線的總和可能超過寄生效應。 囙此，設計者必須考慮到這一點。 PCB佈線的一般指南：

（1）新增記錄道間距以减少電容耦合的串擾；

（2）將電源線和地線平行放置，以優化PCB電容；

（3）將敏感高頻線路遠離高雜訊電力線；

（4）加寬電源線和地線，以降低電源線和地線的阻抗。

2.2劃分

分段是指使用物理分段來减少不同類型線路之間的耦合，尤其是通過電力線和地線。

使用除法劃分4種不同類型電路的示例。 在地平面上，非金屬溝槽用於隔離四個地平面。 L和C用作電路板每個部分的濾波器。 减少不同電路功率平面之間的耦合。 由於高速數位電路的暫態功率需求較高，囙此需要將其放置在功率入口。 介面電路可能需要靜電放電（ESD）和瞬態抑制裝置或電路。 對於L和C，最好使用不同的L和C值，而不是一個大的L和C值，因為它可以為不同的電路提供不同的濾波特性。

2.3本地電源和集成電路之間的去耦

局部解耦可以减少雜訊沿電源幹線的傳播。 連接在電源輸入埠和印刷電路板之間的大容量旁路電容器充當低頻紋波濾波器，同時充當潜在的蓄水池，以滿足突然的電力需求。 此外，每個集成電路的電源和接地之間應該有去耦電容器。 這些去耦電容器應盡可能靠近引脚。 這將有助於濾除集成電路的開關雜訊。

2.4接地科技

接地科技應用於兩個 多層PCBs和 單層PCB. 接地科技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回路的電勢.

(1) Ground wire of 單層PCB

在單層（單面）PCB中，地線的寬度應盡可能寬，並且應至少為1.5毫米（60密耳）。 由於不能在單層PCB上實現星形佈線，跳線和地線寬度的變化應保持在最小值，否則會導致線路阻抗和電感的變化。

（2）雙層PCB地線

In the double-layer (double-sided) PCB, 接地網/數位電路首選點陣佈線. 這種接線方法可以降低接地阻抗, 接地回路和訊號回路. 就像在一個 單層PCB, 接地線和電源線的寬度應至少為1.5毫米. 另一種佈局是將地平面放在一側，訊號線和電源線放在另一側. 在這種安排中, 接地回路和阻抗將進一步降低, 去耦電容器可以盡可能靠近集成電路電源線和接地層之間.

（3）保護環

保護環是一種接地科技，可以隔離環外的雜訊環境（如射頻電流）。 這是因為在正常操作中沒有電流流過保護環。

（4）PCB電容

在 多層板, PCB電容由分隔電源表面和地面的薄絕緣層產生. 在單層板上, 電源線和地線的並聯佈置也會導致這種電容效應. PCB電容器的一個優點是，它具有非常高的頻率回應和均勻分佈在整個表面或整個線路上的低串聯電感. 它相當於均勻分佈在電路板上的去耦電容器. 沒有任何單個離散組件具有此功能.

（5）高速電路和低速電路

高速電路應靠近地平面，低速電路應靠近電源平面。

（6）地面填銅

在一些類比電路中，未使用的電路板區域由一個大接地層覆蓋，以提供遮罩並提高去耦能力。 但是，如果銅區域是懸浮的（例如，它沒有連接到地面），那麼它可能會起到天線的作用，並會導致電磁相容性問題。

(7) Ground plane and power plane in 多層PCB

在一個 多層PCB, 建議將電源平面和接地層放置在盡可能靠近的相鄰層中，以在整個電路板上產生較大的PCB電容. 最快的臨界訊號應靠近地平面的一側, 非臨界訊號應放置在靠近電源板的位置.

（8）功率要求

當電路需要多個電源時，使用接地將每個電源分開。 但不可能在單層PCB中接地多個點。 一種解決方案是將一個電源的電源線和地線與其他電源線和地線分開。 這也有助於避免電源之間的雜訊耦合。

3結束語

本文介紹的各種方法和科技有助於改善PCB的EMC特性。 當然，這些只是EMC設計的一部分。 通常，必須考慮反射雜訊、輻射發射雜訊和其他工藝科技問題引起的干擾。 在實際設計中，應根據設計的目標要求和設計條件，採取合理的抗電磁干擾措施，設計出具有良好EMC效能的PCB電路板。