印制电路板的电磁兼容问题

　　关键词：印制电路板；电磁兼容；信号完整性；电磁干扰

　　印制电路板（PCB）易于制造，性能可靠，价格便宜，因此广泛地应用于各种电子设备中。近年来，随着电子技术的发展，印制电路板上微处理器和逻辑电路中的（时钟）速率越来越快，信号的上升/下降时间越来越短，同时，板上器件密度和布线密度不断增加，印制电路板的电磁兼容问题变得日益突出。

　　在电磁兼容层面分析印制电路板，要考虑三个基本问题：

　　保证信号在板上可靠地传输，确保信号的完整性（Signal Integrity）；

　　抑制电磁干扰（EMI）的传播；

　　加强防护，防止因为抗扰度不足引起灵敏度故障（Susceptibility Failure）。

　　对于相对低频的信号（信号的频谱上限为100MHz），通常可以不考虑上述的问题。但是当信号波长（λ）与信号线长度（ι）可相互比拟时（ι≥0.1λ），就需要考虑印制线的几何尺寸、布线、线间间隔以及传输信号的上升、下降时间，脉冲宽度与周期等因素，以致需要用传输线理论（在某些场合需要用微波理论）来正确地分析信号的传播。

　　印制电路板上的印制线通常可以用微带线或带状线模型来模拟。微带线模型由介质基片一边的导

　　体带和基片另一边的金属接地板构成，它可用来模拟PCB表面层的印制导线。带状线模型由上下接地导体和中间导体带构成，接地板和导体带之间是绝缘介质，它可以模拟多层PCB中间层的印制导线。

　　1 信号完整性

　　PCB上的信号完整性问题主要包括时延、阻抗不匹配、地弹跳（Ground Bounce）、串音等。信号完整

　　性问题会影响电子器件的稳定工作。

　　（1）信号时延：对于高频信号，传输时延应该是电路设计者考虑的最基本的问题之一。传输时延与信号线的长度、信号传输速度的关系如下：

　　tpd=εreff×ιp/c

　　式中：c?真空中的光速；

　　εreff?有效的相对电导率；

　　ιp?信号线的长度。

　　εreff与传输线周围介质有关，对于微带传输线来说，εreff介于板的相对电导率与空气相对电导率之间。在大多数系统中，信号传输线长度是影响时钟脉冲相位差（clock skew）的最直接因素。时钟脉冲相位差是指同时产生的两个时钟信号，到达接收端的时间不同步。时钟脉冲相位差降低了信号沿到达的可预测性，如果时钟脉冲相位差太大，会在接收端产生错误的信号。传输线时延已经成为时钟脉冲周期（Clock Cycle）中的重要部分。

　　（2）阻抗不匹配：阻抗不匹配可以由驱动源，传输线和负载的阻抗不同引起，也可由传输线的不连续（例如导通孔、短截线）引起，另外由于返回路径上局部电感、电容的变化，返回路径不连续也会导致阻

　　抗不连续。这种阻抗的不匹配，会导致反射和阻尼振荡。反射会引起信号的振铃（Ringing）现象，即在稳态信号上下产生的电压过冲和下冲现象，如图2所示。为了将电压的过冲/下冲限制在合理的范围内（不超出稳态值的l0%～15%），应该遵循下面这样一个原则：信号的上升时间要小于信号在印制导线上来回引起的传输时延。即：

　　tr≤2ιP/tppd

　　式中：tr?指信号的上升时间；

　　ιp?信号线的长度；

　　tppd?信号线单位长度引起的延时。

　　振铃现象可能会导致误触发，为了消除振铃现象的影响，方法之一就是等待信号稳定下来。

　　（3）地弹跳（Ground Bounce）：所谓地弹跳，是指在某一集成电路开关时，由于PCB的地线以及集成

　　电路的接地引线具有一定的电感，相应会引起器件内部地电位短暂的冲击或下降。而来自其它器件的输入驱动信号，或者由此器件输出信号所驱动的其他器件，都是以外部系统地为参考的。这种参考地电位的不一致，可能会导致器件的输入门槛或输出电平的改变，从而给高速PCB的设计带来问题。对于电源来说，也存在类似的问题。

　　（4）串音：通常可分为两部分，即公共阻抗耦合和电磁场耦合。公共阻抗耦合是因为不同信号共用公共返回路径引起的，这种耦合通常在低频时起决定作用。电磁场耦合又可分为电感耦合与电容耦合。串音属于近场问题，在PCB0上，串音与线的长度、线的间距、线中传输信号的方向以及参考地平面的状况有关。例如地平面上的裂缝（Split）会使跨越裂缝的邻近线路的串音增加，引起信号波形畸变。

　　2 减小传导发射和辐射发射

　　电磁干扰问题主要包括传导发射和辐射发射问题。电磁兼容中所谓的发射，是指“从源向外发出电

　　磁能的现象”，与一般通信领域中人为的向外发射电磁波不同，PCB中的发射常常是无意的。辐射发射标准通常覆盖30mhz～1 GHz的范围，在不久的将来将扩展至5～40mhz。对于传导发射，FCC将范围限制在0.45～30MHz，而CISPR将下限延伸0.15MHz。

　　滤波是抑制传导发射的一种重要方法。对离开PCB板的信号线进行滤波，可以抑制传导发射的传播。

　　高频时，PCB上的印制线就像一个单极天线（Mono-pole Antennas）或环形天线（Loop Antennas），向外辐射能量。辐射发射可以分为两种基本类型：差模辐射和共模辐射。

　　差模辐射是由于闭合环路中的电流（即所谓的差模电流）引起的。辐射的强度与环的面积、电流的大小及频率的平方成正比。通过减小上述因素，尤其是频率，可以减小辐射的强度。另外，环的辐射具有方向性，一个小电流环的电场辐射值在环所处的平面上最大，而在环的轴向上最小。

　　共模辐射是由寄生效应，例如地线层、电源层或电缆上的感应电流（所谓的共模电流）引起的。共模

　　辐射与一个单极天线类似，辐射的强度与单位线长中的电流及频率有关，但对方向不敏感。

　　由于差模电流产生的辐射是相减的，而共模电流产生的辐射是相加的，所以即使共模电流比差模电流小的多，也会产生程度相当的辐射场。例如，长为lm的电缆，其中间距为1.27mm的两导线中流有30MHz、20mA的差模电流，会在3m外产生100μV/m辐射电场，而对共模电流来说，只需要8μA的

　　电流就能产生同样程度的辐射。在进行远场分析时，必须考虑共模辐射。

　　3 加强防护

　　防护的强度，随产品的用途而定。对于无关紧要的电子产品，就不需要专门的防护。而对于军用的电子产品及用于电厂与电网控制的电子设备，就需要加以最高等级的防护，因为即使是在极端情况下，也要保证这些设备能正常工作。

　　4 结论

　　在设计印制电路板时，必须考虑电磁兼容问题，以确保设计功能的实现。在高频时，简单的电路模拟可能不再适用，而需要用传输线理论或微波理论来分析遇到的问题。

来源：greattong