1.電磁兼容的一般概念

電磁兼容性是指電子設(shè)備在電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時(shí)不產(chǎn)生對(duì)周?chē)O(shè)備或環(huán)境造成干擾的能力。EMC設(shè)計(jì)的目標(biāo)是確保設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，同時(shí)保持對(duì)周?chē)h(huán)境的兼容性。

電磁兼容(Electro - Magnetic Compatibility，簡(jiǎn)稱(chēng)EMC)是一門(mén)新興綜合性學(xué)科，它主要研究電磁干擾和抗干擾問(wèn)題。 電磁兼容性是指電子設(shè)備或系統(tǒng)在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下，不因電磁干擾而降低性能指標(biāo)，同時(shí)它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于限定的極限電平，不影響其它系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并達(dá)到設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互不干擾、共同可靠工作的目的。 電磁干擾( EM I)產(chǎn)生是由于電磁干擾源通過(guò)耦合路徑將能量傳遞給敏感系統(tǒng)造成的，它包括由導(dǎo)線和公共地線的傳導(dǎo)、通過(guò)空間輻射或近場(chǎng)耦合3種基本形式。 實(shí)踐證明，即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確，印制電路板設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會(huì)對(duì)電子設(shè)備的可靠性產(chǎn)生不利影響，所以保證印制電路板電磁兼容性是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，本文主要討論電磁兼容技術(shù)及其在多層印制線路板( Printed Circuit Board，簡(jiǎn)稱(chēng)PCB)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

PCB是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件，它提供電路元件和器件之間的電氣連接，是各種電子設(shè)備最基本的組成部分。 如今，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路已在電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，而且元器件在印刷電路板上的安裝密度越來(lái)越高，信號(hào)的傳輸速度更是越來(lái)越快， 由此而引發(fā)的EMC問(wèn)題也變得越來(lái)越突出。 PCB 有單面板(單層板) 、雙面板(雙層板)和多層板之分。 單面板和雙面板一般用于低、中密度布線的電路和集成度較低的電路， 多層板使用高密度布線和集成度高的電路。 從電磁兼容的角度看單面板和雙面板不適宜高速電路，單面、雙面布線已滿足不了高性能電路的要求，而多層布線電路的發(fā)展為解決以上問(wèn)題提供了一種可能，并且其應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛。

考慮的根本原因在于電磁干擾的存在。電磁干擾(Electromagnetic Interference，簡(jiǎn)稱(chēng)EMI)是破壞性電磁能從一個(gè)電子設(shè)備通過(guò)輻射或傳導(dǎo)傳到另一個(gè)電子設(shè)備的過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，EMI特指射頻信號(hào)(RF)，但電磁干擾可以在所有的頻率范圍內(nèi)發(fā)生。

電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，簡(jiǎn)稱(chēng)EMC)是指電氣和電子系統(tǒng)、設(shè)備和裝置在設(shè)定的電磁環(huán)境中，在規(guī)定的安全界限內(nèi)以設(shè)計(jì)的等級(jí)或性能運(yùn)行，而不會(huì)由于電磁干擾引起損壞或不可接受到性能惡化的能力。這里所說(shuō)的電磁環(huán)境是指存在于給定場(chǎng)所的所有電磁現(xiàn)象的總和。這表明電磁兼容性一方面指電子產(chǎn)品應(yīng)具有抑制外部電磁干擾的能力;另一方面，該電子產(chǎn)品所產(chǎn)生的電磁干擾應(yīng)低于限度，不得影響同一電磁環(huán)境中其他電子設(shè)備的正常工作。

現(xiàn)今的電子產(chǎn)品已經(jīng)由模擬設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為數(shù)字設(shè)計(jì)。隨著數(shù)字邏輯設(shè)備的發(fā)展，與EMI和EMC相關(guān)的問(wèn)題開(kāi)始成為產(chǎn)品的焦點(diǎn)，并得到設(shè)計(jì)者和使用者很大的關(guān)注。美國(guó)通信委員會(huì)(FCC)在20世紀(jì)70年代中后期公布了個(gè)人電腦和類(lèi)似設(shè)備的輻射標(biāo)準(zhǔn)，歐共體在其89/336/EEC電磁兼容指導(dǎo)性文件中提出輻射和抗干擾的強(qiáng)制性要求。我國(guó)也陸續(xù)制定了有關(guān)電磁兼容的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)，例如“電磁兼容術(shù)語(yǔ)”(GB/T4365-1995)，“電磁干擾和電磁兼容性術(shù)語(yǔ)”(GJB72-85)，“無(wú)線電干擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備規(guī)范”(GB/T6113-1995)，“電動(dòng)工具、家用電器和類(lèi)似器具無(wú)線電干擾特性的測(cè)量方法和允許值”(GB4343-84)。這些電磁兼容性規(guī)范大大推動(dòng)了電子設(shè)計(jì)技術(shù)并提高了電子產(chǎn)品的可靠性和適用性。

多層印制板為了有更好的電磁兼容性設(shè)計(jì)。使得印制板在正常工作時(shí)能滿足電磁兼容和敏感度標(biāo)準(zhǔn)。正確的堆疊有助于屏蔽和抑制EMI。

多層印制板設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

多層印制板的電磁兼容分析可以基于克?；舴蚨珊头ɡ陔姶鸥袘?yīng)定律。

根據(jù)以上兩個(gè)定律，我們得出在多層印制板分層及堆疊中應(yīng)遵徇以下基本原則：

① 電源平面應(yīng)盡量靠近接地平面，并應(yīng)在接地平面之下。

② 布線層應(yīng)安排與映象平面層相鄰。

③ 電源與地層阻抗。其中電源阻抗Z0= 其中D為電源平面同地平面之間的間距。W為平面之間的面積。

④ 在中間層形成帶狀線，表面形成微帶線。兩者特性不同。

⑤ 重要信號(hào)線應(yīng)緊臨地層。

PCB板的堆疊與分層

① 二層板。此板僅能用于低速設(shè)計(jì)。EMC比較差。

② 四層板。由以下幾種疊層順序。下面分別把各種不同的疊層優(yōu)劣作說(shuō)明。

2.EMC在設(shè)計(jì)中的重要性

隨著電子設(shè)備的靈敏度越來(lái)越高，并且接受微弱信號(hào)的能力越來(lái)越強(qiáng)，電子產(chǎn)品頻帶也越來(lái)越寬，尺寸越來(lái)越小，并且要求電子設(shè)備抗干擾能力越來(lái)越強(qiáng)。一些電器、電子設(shè)備工作時(shí)所產(chǎn)生的電磁波，容易對(duì)周?chē)钠渌姎?、電子設(shè)備形成電磁干擾，引發(fā)故障或者影響信號(hào)的傳輸。另外，過(guò)度的電磁干擾會(huì)形成電磁污染，危害人們的身體健康，破壞生態(tài)環(huán)境。

如果在一個(gè)系統(tǒng)中各種用電設(shè)備能夠正常工作而不致相互發(fā)生電磁干擾造成性能改變和設(shè)備的損壞，人們就稱(chēng)這個(gè)系統(tǒng)中的用電設(shè)備是相互兼容的。但是隨著設(shè)備功能的多樣化、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、功率的加大和頻率的提高，同時(shí)它們的靈敏度也越來(lái)越高，這種相互兼容的狀態(tài)越來(lái)越難獲得。為了使系統(tǒng)達(dá)到電磁兼容，必須以系統(tǒng)的電磁環(huán)境為依據(jù)，要求每個(gè)用電設(shè)備不產(chǎn)生超過(guò)一定限度的電磁發(fā)射，同時(shí)又要求它本身要具備一定的抗干擾能力。只有對(duì)每一個(gè)設(shè)備都作出這兩個(gè)方面的約束和改進(jìn)，才能保證系統(tǒng)達(dá)到完全兼容。

通常認(rèn)為電磁干擾的傳輸有兩種方式：一種是傳導(dǎo)方式;另一種是輻射方式。在實(shí)際工程中，兩個(gè)設(shè)備之間發(fā)生干擾通常包含著許多種途徑的耦合。正因?yàn)槎喾N途徑的耦合同時(shí)存在，反復(fù)交叉，共同產(chǎn)生干擾，才使得電磁干擾變得難以控制。

常見(jiàn)的電磁干擾主要有以下幾種：

(1)射頻干擾。由于現(xiàn)有的無(wú)線電發(fā)射機(jī)的激增，射頻干擾給電子系統(tǒng)造成了很大的威脅。蜂窩電話、手持無(wú)線電、無(wú)線電遙控單元、尋呼機(jī)和其他類(lèi)似設(shè)備現(xiàn)在非常普遍。造成有害的干擾并不需要很大的發(fā)生功率。典型的故障出現(xiàn)在射頻場(chǎng)強(qiáng)為1～10V/m的范圍內(nèi)。在歐洲、北美和很多亞洲國(guó)家，避免射頻干擾損壞其他設(shè)備已經(jīng)成為對(duì)所有產(chǎn)品在法律上的強(qiáng)制性規(guī)定。

(2)靜電放電(ESD)。現(xiàn)代芯片工藝已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，在很小的幾何尺寸(0.18um)上元件已經(jīng)變得非常密集。這些高速的、數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的晶體管微處理器的靈敏性很高，很容易受到外界靜電放電影響而損壞。放電可以是直接或輻射的方式引起。直接接觸放電一般引起設(shè)備性的損壞。輻射引起的靜電放電可能引起設(shè)備紊亂，工作不正常。

(3)電力干擾。隨著越來(lái)越多的電子設(shè)備接入電力主干網(wǎng)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)一些潛在地干擾。這些干擾包括電力線干擾、電快速瞬變、電涌、電壓變化、閃電瞬變和電力線諧波等。對(duì)于高頻開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，這些干擾變得很顯著。

(4)自兼容性。一個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字部分或電路可能干擾模擬設(shè)備，在導(dǎo)線之間產(chǎn)生串繞(Crosstalk)，或者一個(gè)電機(jī)可以引起數(shù)字電路的紊亂。

另外，一個(gè)在低頻可以正常工作的電子產(chǎn)品，當(dāng)頻率升高時(shí)會(huì)遇到一些低頻所沒(méi)有的問(wèn)題。比如反射、串繞、地彈、高頻噪聲等。

一個(gè)不符合EMC規(guī)范的電子產(chǎn)品不是合格的電子設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)產(chǎn)品除了滿足市場(chǎng)功能性要求外，還必須采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)預(yù)防或解除EMI的影響。

PCB設(shè)計(jì)與EMC優(yōu)化的關(guān)鍵要點(diǎn)

a.排布與布線

1.分區(qū)原則：PCB應(yīng)按功能模塊進(jìn)行合理的布局分區(qū)，避免不同模塊之間的干擾。

2.信號(hào)路徑優(yōu)化：優(yōu)化信號(hào)路徑，避免信號(hào)線和功率線交叉、平行，減少互相干擾。

3.接地設(shè)計(jì)：合理設(shè)計(jì)接地結(jié)構(gòu)，保證接地回路短而穩(wěn)定，減少接地回流對(duì)信號(hào)的干擾。

b.電磁屏蔽

1.屏蔽層設(shè)計(jì)：在PCB設(shè)計(jì)中加入地層、電源層等屏蔽層，有效隔離不同信號(hào)層。

2.屏蔽罩：對(duì)于敏感部分，可采用金屬屏蔽罩進(jìn)行屏蔽，減少外部電磁場(chǎng)對(duì)其的影響。

c.元件選擇與布局

1.低噪聲元件：選擇低噪聲、低干擾的元件，如低噪聲放大器、低噪聲電源等。

2.電容與電感：合理選擇電容和電感，濾除高頻噪聲，保證電路穩(wěn)定性和信號(hào)清晰度。

d.地線設(shè)計(jì)

1.單點(diǎn)接地：采用單點(diǎn)接地設(shè)計(jì)，減少接地回流路徑，避免接地回流干擾信號(hào)。

2.接地平面：在PCB內(nèi)層設(shè)計(jì)大面積接地平面，提供良好的地網(wǎng)，減少信號(hào)線和功率線對(duì)接地的干擾。

e.EMC測(cè)試與驗(yàn)證

1.輻射測(cè)試：進(jìn)行輻射測(cè)試，確保設(shè)備輻射水平符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.傳導(dǎo)測(cè)試：進(jìn)行傳導(dǎo)測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)備對(duì)傳導(dǎo)干擾的抗干擾能力。

在電路 PCB 多層電路板的設(shè)計(jì)中，信號(hào)完整性與電磁兼容性至關(guān)重要。

信號(hào)完整性直接影響電路板的正常運(yùn)行。隨著電子產(chǎn)品向高速、高頻發(fā)展，信號(hào)在傳輸過(guò)程中的延遲、衰減和畸變問(wèn)題愈發(fā)突出。多層電路板中，不同層間信號(hào)的耦合和干擾是關(guān)鍵因素。例如，相鄰信號(hào)層之間的電磁感應(yīng)可能會(huì)引發(fā)串?dāng)_，導(dǎo)致信號(hào)失真。為保障信號(hào)完整性，需精確計(jì)算線路的阻抗匹配，合理規(guī)劃信號(hào)路徑，采用合適的端接方式，如串聯(lián)電阻或并聯(lián)電容，以減少信號(hào)反射。同時(shí)，運(yùn)用仿真軟件對(duì)信號(hào)傳輸進(jìn)行模擬分析，提前發(fā)現(xiàn)并解決潛在的信號(hào)完整性問(wèn)題，確保信號(hào)在多層電路板內(nèi)準(zhǔn)確、穩(wěn)定地傳輸。

電磁兼容性同樣不容忽視。多層電路板工作時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射可能干擾其他電子元件或外部設(shè)備，而外部的電磁干擾也可能影響電路板自身的性能。為提升電磁兼容性，一方面要優(yōu)化電路板的布局，將易受干擾的敏感元件遠(yuǎn)離干擾源，如將射頻部分與數(shù)字、模擬部分合理分區(qū)。另一方面，通過(guò)添加接地層和屏蔽層來(lái)抑制電磁輻射和阻擋外部干擾。接地層能有效提供回流路徑，降低電磁噪聲，屏蔽層則可阻斷外界電磁波的侵入，保證電路板在復(fù)雜的電磁環(huán)境中正常工作，提高產(chǎn)品的整體穩(wěn)定性和可靠性，滿足日益嚴(yán)格的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)電子設(shè)備向高性能、高可靠性方向發(fā)展。