简述电磁兼容设计的常用方法2

二．印刷电路板设计

随着信息宽带化和高速化的发展，要求信号的传输和处理的速度越来越快。已经成为PCB设计必须关心的问题之一。PCB已不仅仅是支撑电子元器件的平台，简简单单在基材上布上金属导线，由于存在引线电感，并不能能实现互连。PCB已成为功能元件，成为高性能的系统结构。从而使得PCB设计成为产品设计能否成功的关键因素。

印制电路板EMC设计是产品EMC设计的基础。整机辐射发射超标，辐射敏感度不达标，大多是由于PCB引起的。

在PCB设计阶段处理好EMC问题，是使产品实现电磁兼容最有效，成本最低的手段。

1. 电磁骚扰发射的抑制方法之一：PCB布线及布局基本原则

电流必须在一个回路中流动。每个信号都有一个回流来构成回路。直流和低频时，回路电流总是从电阻最小的路径上通过；而高频时，回流总是从阻抗最小的路径上通过。

两根导线分别流过大小相等方向相反的信号电流和它的回流电流，它们的磁场也是大小相等方向相反，如果两根导线距离非常近，磁场即差模EMI辐射将完全抵消。所以基本原则是：如果要把差模EMI辐射减小到最小，信号线应尽量靠近与它构成回路的回流线，即必须把回路面积减少到最小。

精心的走线设计可以在很大程度上减少走线阻抗造成的骚扰，而抑制电磁骚扰发射。当频率超过数kHz时，导线的阻抗主要由导线的电感决定，细而长的回路导线呈现高电感（典型lOnH/cm），其阻抗随频率增加而增加。如果设计处理不当，将引起共阻抗耦合。

两根电流方向相反的平行导线，由于互感作用，能够有效地减少电感，总自感可表示为：

L = L1 +L2 - 2M

式中， L1、L2分别为导线1和导线2的自感，M为互感

M=L1/［1+（a/h）2］

式中，a—间距， h—离地面距离。当：L1 = L2，则：

L =2 （L1- M）

当：a = 0

M = L1

，则 L = 0。

由此可以得到布线基本原则，即环路面积为零。例如，多层板层间距离很小，4层板为0.15mm，而28层板为0.05mm能真正做到环路面积为零，总自感为零，如图3所示。

图3 布线基本原则：环路面积为零

在印制板布局时，应先进行物理分区和电气分区，确定元器件在板上的位置，然后布置地线、电源线，再安排高速信号线，最后考虑低速信号线。

布局时，首先作好不兼容分割，元器件的位置应按电源电压、数字及模拟电路、速度快慢、电流大小等进行分组，以免相互骚扰。根据元器件的位置可以确定印制板连接器各个引脚的安排。所有连接器应安排在印制板的一侧，尽量避免从两侧引出电缆，减少共模辐射。其次，在安装，受力，受热和美观等方面应满足要求。

（1）电源线

在考虑安全条件下，电源线应尽可能靠近地线， 以减小差模辐射的环面积，也有助于减小电路的交扰。对于单一电源供电的PCB，一个电源平面足够了；对于多种电源，若互不交错，可考虑采取电源层分割，用作参考面时，需加缝补电容；对于电源互相交错（尤其多种电源供电，且互相交错的IC）的单板，则必须考虑采用2个或以上的电源平面。

（2）时钟线、信号线和地线的位置

时钟线、信号线与地平面相邻或与地线距离较近，形成的环路面积尽量小。必要时，两侧加地线护送。

（3）按逻辑速度分割

当需要在电路板上布置快速、中速和低速逻辑电路时，高速的器件（快逻辑、时钟振荡器等）应安放在紧靠边缘连接器范围内，而低速逻辑和存储器，应安放在远离连接器范围内。这样对共阻抗耦合、辐射和交扰的减小都是有利的。

（4）避免印制电路板导线特性阻抗的不连续性，保证特性阻抗连续，必须做到迹线宽度不要突变、导线不要突然拐角，同層的佈線的寬度必須連續，不同層的走線阻抗也必須連續。

（5）檢查信號線的長度和信號的頻率是否構成諧振，即當佈線長度為信號波長1／4的時候的整數倍時，此佈線將產生諧振，而諧振就會輻射電磁波，產生骚擾。

2. 高速数字电路设计

在电子系统中，需要各种长度的走线。在这些走线上，信号从线的始端传输到终端，需要一定时间。也就是说，信号存在延时。这种延时，在低速系统中可以忽略；但在高速系统中，则不能被忽略。高速PCB设计还需考虑当信号在导线上传输时，如果传输线与始端阻抗或终端阻抗不匹配，将会出现电磁波反射现象，使信号失真，产生干扰脉冲，影响系统运行。

所谓高速PCB，是从数字电路的角度说的，而对于模拟电路的PCB，则是高频问题。高速指的是信号的边缘速率高，而不一定是时钟频率高，可以这么说：时钟频率低的PCB，不一定不是高速PCB，而时钟频率高的PCB，则一定也是高速PCB。一旦把所设计的PCB当作高速PCB来设计后，就需要考虑高速信号的传输、端接、串扰等问题，如果不这样考虑，不进行高速信号的完整性设计，PCB的工作可靠性可能就不能保证，甚至无法正常工作。而对于普通PCB，不去考虑高速的影响，则没有关系。

信号完整性（Signal Integrity，简称SI）是指在信号线上的信号质量及信号定时的准确性。即在要求的时间内，信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度作出响应，不失真的从源端传送到接收端，则该信号是完整的。所以，信号完整性分析是以电压波形为主的分析。

时序是高速系统的核心问题。如果定时不准确，则不能得到准确的逻辑。信号传输时，任何发生在驱动端，互连线或接收端的延时或波形畸变都会导致传输失败。

破坏信号完整性的原因有：所使用的芯片切换速度过快；端接元件布设不合理、电路互连不合理以及传输线、过孔等引起的阻抗不连续；线距过小引起的串扰以及尖峰电压等都会引起信号完整性问题。信号完整性问题包括反射、串扰、过冲、振荡、时延和电磁骚扰发射等。信号完整性分析的目标是保证可靠的高速数据传输。高速数字系统设计成功的关键在于保持信号的完整性。从广义上讲，信号完整性问题指的是在高速产品中，互连线引起的所有问题。它主要研究互连线与数字信号电压电流波形相互作用时，如何影响产品性能。信号完整性问题包括：

反射信号Reflected signals

延时和时序错误Delay & Timing errors

过冲与下冲Overshoot/Undershoot

振铃Ringing（多次跨越逻辑电平门限错误False switching ）

串扰Induced Noise （or crosstalk）

电磁辐射EMI radiaTIon

为了实现信号完整性，必须缩短 S 并进行阻抗匹配，阻抗匹配方法有：串联电阻、并联电阻、戴维南网络、RC网络、二极管阵等。

第二层 接地设计

一．接地设计是重在治本的重要一层。

1.接地是指将一个电路、设备、分系统与参考地连接，目的在于提供一个等电位点或面。接地必须有接地导体和参考地才能完成。

2.参考地的含义是广泛的，可以是大地，也可以是起大地作用的，有足够面积的导体。如飞机或船舶的壳体，机柜的柜体等。理想的参考地是一个零电位、零阻抗的物理体。能为电路或系统提供基准电位；能抑制产品内部产生的电磁骚扰以及外部进入产品的电磁骚扰；并能为电流流回源提供一条低阻抗路径。

3.接地是一个系统概念。电流幅值和频率是两项关键因素。对接地分类是为了选择接地体及其连接方式。

接地分类 接地电流幅值 接地电流频率范围

信号地 （回流地） 几mA-几A 直流-GHz

电源地 几mA-几A 《50-60Hz

保护地 （安全地） 10A-1000A 《50-60Hz

防雷地 《240kA 200kHz-500MHz

参考地 （EMI地） μA-A 直流-微波

参考地任务之一是为EMI电流提供一个受控抑制通道。关键是在极宽的频率范围内保持低阻抗。

防雷地是提供一条将雷电电流通入大地的受控通道。关键是同时维持低电阻和低电感，并且提供充分的瞬态电流容量。

安全地（保护地 ）主要是为了保护人身安全。通常将金属壳体接地，出现故障时确保故障电流流入大地。

电源地的主要问题是维持低阻抗，并提供足够的电流容量。

信号地（回流地）为信号提供一个回流通道

二．接地方式

1.悬浮地

信号电平较大或接近时，该模块应接系统地，信号电平较小或相差大时，低电平信号模块应接悬浮地。

设备悬浮地设备的地线在电气上与参考地及其他导体相绝缘，单元电路悬浮地单元电路信号地与参考地及机箱绝缘

悬浮地容易产生静电积累和静电放电。易遭雷击和其他瞬态骚扰。通常在悬浮地与参考地之间接进一个阻值很大的电阻以消除静电积累。

2. 单点接地（f《1MHz）

并联单点接地：每个电路模块都接到一个单点地上，每个单元在同一点与参考点相连。

多级电路的串联单点接地：接地点应选在低电平电路的输入端，使其最接近参考地。若把接地点移到高电平端，则 输入级的地对参考地的电位差最大，是不稳定的。

3. 多点接地（f 》10MHz）

设备中的电路都就近以机壳为参考点，而所有机壳又以地为参考，使接地引线长度最短。在多点接地的情况下，要注意地环路问题。信号频率在1-10MHz之间，当地线长度不超过l /20时，可以采用单点接地，否则就要多点接地。当地线长度可以与l/4相比拟时，成为终端短路的l/4传输线，等效为开路，阻抗增大。

4. 混合接地

使用电抗元件使接地系统在低频和高频时呈现不同特性。

电子设备的混合接地把设备的地线分成两类：电源地与信号地。设备中各部分电源地线都接到电源总地线上与信号总地线汇集到公共参考地。

三．长地线的阻抗

1.地线阻抗是导致地线骚扰的根本原因

理想地线应是一个零电位、零阻抗的物理实体。但实际的地线本身既有电阻分量又有电抗分量，当有电流通过该地线时，就要产生电压降。地线会与其他连线（信号、电源线等）构成回路，当时变电磁场耦合到该回路时，就在地回路中产生感应电动势，并由地回路耦合到负载，构成潜在的EMI威胁。

传输线输入阻抗

Zin（x）=Zc（ZL+jZctgβx）/（Zc+jZLtgβx）

式中，β=2π/λ=ω（LC）1/2，

当 ZL=0

∣Zin（x）∣=∣jZctgβx∣=Zctg（ωx（LC）1/2）

当 x=λ/4

∣Zin（x）∣=Zctg［ω（λ/4）（LC）1/2］=Zctg（π/2）=∞

这时，接地线实际上开路，反而成为向外辐射的天线

2地线长度

地线长度应为：≤l/20 应当短而粗。