PCB设计——从EMC角度要考虑三个主要因素

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gaosmile 发布时间：2020-3-29 11:56

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关于PCB中EMC设计的问题，应该是诸多电子硬件工程师的一大心病。比如：PCB叠层时要如何考虑EMC？不同层数的板子在设计EMC的时候，需要考虑的东西是否一样？考虑到大家对类似的问题都有疑问，那边小编今天就整理了这篇关于如何做好PCB中EMC设计内容，希望对你们有所帮助。

一、器件的布局

在PCB设计的过程中，从EMC角度，首先要考虑三个主要因素：输入/输出引脚的个数，器件密度和功耗。

一个实用的规则是片状元件所占面积为基片的20%,每平方英寸耗散功率不大于2W。

在器件布置方面，原则上应将相互有关的器件尽量靠近，将数字电路、模拟电路及电源电路分别放置，将高频电路与低频电路分开。

易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路。对时钟电路和高频电路等主要干扰和辐射源应单独安排，远离敏感电路，输入输出芯片要位于接近混合电路封装的I/O出口处。

高频元器件尽可能缩短连线，以减少分布参数和相互间的电磁干扰，易受干扰元器件不能相互离得太近，输入输出尽量远离。震荡器尽可能靠近使用时钟芯片的位置，并远离信号接口和低电平信号芯片。

元器件要与基片的一边平行或垂直，尽可能使元器件平行排列，这样不仅会减小元器件之间的分布参数，也符合混合电路的制造工艺，易于生产。
　　
在混合电路基片上电源和接地的引出焊盘应对称布置，最好均匀地分布许多电源和接地的I/O连接。裸芯片的贴装区连接到最负的电位平面。

在选用多层混合电路时，电路板的层间安排随着具体电路改变，但一般具有以下特征：

(1) 电源和地层分配在内层，可视为屏蔽层，可以很好地抑制电路板上固有的共模RF干扰，减小高频电源的分布阻抗。

(2) 板内电源平面和地平面尽量相互邻近，一般地平面在电源平面之上，这样可以利用层间电容作为电源的平滑电容，同时接地平面对电源平面分布的辐射电流起到屏蔽作用。

(3) 布线层应尽量安排与电源或地平面相邻以产生通量对消作用。

二、PCB走线

在电路设计中，往往只注重提高布线密度，或追求布局均匀，忽视了线路布局对预防干扰的影响，使大量的信号辐射到空间形成干扰，可能会导致更多的电磁兼容问题。

因此，良好的布线是决定设计成功的关键。

1、地线的布局

地线不仅是电路工作的电位参考点，还可以作为信号的低阻抗回路。

地线上较常见的干扰就是地环路电流导致的地环路干扰，解决好这一类干扰问题，就等于解决了大部分的电磁兼容问题。

地线上的噪音主要对数字电路的地电平造成影响，而数字电路输出低电平时，对地线的噪声更为敏感。

地线上的干扰不仅可能引起电路的误动作，还会造成传导和辐射发射。因此，减小这些干扰的重点就在于尽可能地减小地线的阻抗(对于数字电路，减小地线电感尤为重要)。

地线的布局要注意以下几点：

(1) 根据不同的电源电压，数字电路和模拟电路分别设置地线。

(2) 公共地线尽可能加粗。在采用多层厚膜工艺时，可专门设置地线面，这样有助于减小环路面积，同时也降低了接受天线的效率。并且可作为信号线的屏蔽体。

(3) 应避免梳状地线，这种结构使信号回流环路很大，会增加辐射和敏感度，并且芯片之间的公共阻抗也可能造成电路的误操作。

(4) 板上装有多个芯片时，地线上会出现较大的电位差，应把地线设计成封闭环路，提高电路的噪声容限。

(5) 同时具有模拟和数字功能的电路板，模拟地和数字地通常是分离的，只在电源处连接。

2、电源电路的布局

一般而言，除直接由电磁辐射引起的干扰外，经由电源线引起的电磁干扰最为常见。因此电源线的布局也很重要，通常应遵守以下规则。

（电源处理）

(1) 电源线尽可能靠近地线以减小供电环路面积，差模辐射小，有助于减小电路交扰。不同电源的供电环路不要相互重叠。

(2) 采用多层工艺时，模拟电源和数字电源分开，避免相互干扰。不要把数字电源与模拟电源重叠放置，否则就会产生耦合电容，破坏分离度。

(3) 电源平面与地平面可采用完全介质隔离，频率和速度很高时，应选用低介电常数的介质浆料。电源平面应靠近接地平面，并安排在接地平面之下，对电源平面分布的辐射电流起到屏蔽作用。

(4) 芯片的电源引脚和地线引脚之间应进行去耦。去耦电容采用0.01uF的片式电容，应贴近芯片安装，使去耦电容的回路面积尽可能减小。

(5) 选用贴片式芯片时，尽量选用电源引脚与地引脚靠得较近的芯片，可以进一步减小去耦电容的供电回路面积，有利于实现电磁兼容。

3、信号线的处理

在使用单层薄膜工艺时，一个简便适用的方法是先布好地线，然后将关键信号，如高速时钟信号或敏感电路靠近它们的地回路布置，最后对其它电路布线。

信号线的布置最好根据信号的流向顺序安排，使电路板上的信号走向流畅。

如果要把EMI减到最小，就让信号线尽量靠近与它构成的回流信号线，使回路面积尽可能小，以免发生辐射干扰。

低电平信号通道不能靠近高电平信号通道和无滤波的电源线，对噪声敏感的布线不要与大电流、高速开关线平行。如果可能，把所有关键走线都布置成带状线。不相容的信号线(数字与模拟、高速与低速、大电流与小电流、高电压与低电压等)应相互远离，不要平行走线。

信号间的串扰对相邻平行走线的长度和走线间距极其敏感，所以尽量使高速信号线与其它平行信号线间距拉大且平行长度缩小。

导带的电感与其长度和长度的对数成正比，与其宽度的对数成反比。

因此，导带要尽可能短，同一元件的各条地址线或数据线尽可能保持长度一致，作为电路输入输出的导线尽量避免相邻平行，最好在之间加接地线，可有效抑制串扰。低速信号的布线密度可以相对大些，高速信号的布线密度应尽量小。

（相邻层尽量错开平行组线）

在多层厚膜工艺中，除了遵守单层布线的规则外还应注意：

尽量设计单独的地线面，信号层安排与地层相邻。不能使用时，必须在高频或敏感电路的邻近设置一根地线。

分布在不同层上的信号线走向应相互垂直，这样可以减少线间的电场和磁场耦合干扰;同一层上的信号线保持一定间距，最好用相应地线回路隔离，减少线间信号串扰。

每一条高速信号线要限制在同一层上。信号线不要离基片边缘太近，否则会引起特征阻抗变化，而且容易产生边缘场，增加向外的辐射。

4、时钟电路处理

时钟电路在数字电路中占有重要地位，同时又是产生电磁辐射的主要来源。

一个具有2ns上升沿的时钟信号辐射能量的频谱可达160MHz。因此设计好时钟电路是保证达到整个电路电磁兼容的关键。

（时钟电路）

关于时钟电路的布局，有以下注意事项：

(1) 不要采用菊花链结构传送时钟信号，而应采用星型结构，即所有的时钟负载直接与时钟功率驱动器相互连接。

(2) 所有连接晶振输入/输出端的导带尽量短，以减少噪声干扰及分布电容对晶振的影响。

(3) 晶振电容地线应使用尽量宽而短的导带连接至器件上;离晶振最近的数字地引脚，应尽量减少过孔。

三、工艺和部件的选取

混合集成电路有三种制造工艺可供选择，单层薄膜、多层厚膜和多层共烧厚膜。

薄膜工艺能够生产高密度混合电路所需的小尺寸、低功率和高电流密度的元器件，具有高质量、稳定、可靠和灵活的特点，适合于高速高频和高封装密度的电路中，但只能做单层布线且成本较高。

多层厚膜工艺能够以较低的成本制造多层互连电路，从电磁兼容的角度来说，多层布线可以减小线路板的电磁辐射并提高线路板的抗干扰能力。

因为可以设置专门的电源层和地层，使信号与地线之间的距离仅为层间距离。这样，板上所有信号的回路面积就可以降至最小，从而有效减小差模辐射。

其中多层共烧厚膜工艺具有更多的优点，是目前无源集成的主流技术。它可以实现更多层的布线，易于内埋元器件，提高组装密度，具有良好的高频特性和高速传输特性。

此外，与薄膜技术具有良好的兼容性，二者结合可实现更高组装密度和更好性能的混合多层电路。

混合电路中的有源器件一般选用裸芯片，没有裸芯片时可选用相应的封装好的芯片，为得到最好的EMC特性，尽量选用表贴式芯片。

选择芯片时在满足产品技术指标的前提下，尽量选用低速时钟。在HC能用时绝不使用AC，CMOS4000能行就不用HC。电容应具有低的等效串联电阻，这样可以避免对信号造成大的衰减。

混合电路的封装可采用可伐金属的底座和壳盖，平行缝焊，具有很好的屏蔽作用。

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