印制电路板设计的电磁兼容性分析

1、印制电路板设计的电磁兼容性分析來源：i作者:张文成i发布时间:2010-01-26 13:16:15 i浏览：129次字体:大中小】摘要:阐述了电磁环境日益复杂的情况下，印制电路板电磁兼容性设计在电了产品设计中 的必要性，并在分析印制电路板造成信号传输损失、电磁能量辐射形成机理的基础上对卬制 电路板设计中影响印制线条阻抗的因素、阻抗匹配的重要性和如何控制信号传输线的阻抗， 以及卬制电路板的地线结构作了分析，从避免卬制电路板形成辐射和提高其抗干扰能力的角 度阐述了在印制电路板上如何合理布宣地线及地线网格她线而的应用方法，最后分析了印制 电路板的布线原则。关键词：印制电路板；电磁兼容性；阻抗匹配；

2、藕合；地线网格；地线血随着现代科学技术的发展，电气及电了设备的数量及种类不断增加，而产品的尺寸在 不断缩小，功能在不断增加，使电磁环境口益复杂，在这种复杂的电磁环境小，如何减少相 互问的电磁骚扰，使各种设备能正常运转，是一个必须解决的问题。1射频信号传输线阻抗控制l1阻抗匹配在印制电路板中，信号传递时，希望从信号的发射端起，在能量损失最小的情形下，能 顺利地传送到接收端，而接收端将其完全吸收而不作任何反射，要达到这种传输，线路 中的阻抗必须和发射端的阻抗相等，称为阻抗匹配。如果传输线的特征阻抗与负载阻抗不匹 配时，在负载端就会产生反射，当负载阻抗大于特征阻抗时，电压信号发生正向反射，电流 信号

3、发生负向反射;反之，当负载阻抗小于特征阻抗时，电压信号发生负向反射，电流信号 发生正向反射。事实上当走线的儿何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面 的不连续等因素的变化均会导致此类反射。减小和消除反射的方法是根据传输线的特征阻抗 在其发射端或接收端进行终端阻抗匹配，从而使反射系数接近于q所以在进行pcb走线时， 应尽量使传输线在各处的特征阻抗相同】'。在设计射频pcb电路时，阻抗匹配定设计的要素乙一，而阻抗值与走线方式冇绝对的关 系，例如走在表面层或内层、与参考的电源层或地层的距离、走线宽度和pcb材质等均会影 响走线的特征阻抗值，同时不同pcb生产厂家生产出来的特征阻抗也

4、冇微小的差别。一般阻 抗仿真软件会因线路模型或所使用的数学算法的限制而无法考虑到一些阻抗不连续的走线 情况，这时候在原理图上只能预留一些端接，如串联电阻等，来缓和走线阻抗不连续的效应, 根本解决问题的方法还是走线时尽量注意避免阻抗不连续的发生。l2印制线条的阻抗控制pcb印制线条有微带线和微带波导两种基本类型，微带线是其最外层线条，可获得高速 传输，但工作时会向空问辐射较多能量;微带波导是其中问层线条，电路噪声防护性能好， 但电容人，使快速信号的边沿速率下降。微带线结构如图1所示，阻抗近似计算公式为:7 _87.5 9 时八.e + l 4140丽+卩微带波导结构如图2所示.阻抗近似计算公式z

5、o = =- in0 忆 0 67兀（0 8» + 7j 式中：乙）一微带线的阻抗；e电介质的介电常数： 卩一印制线条的厚度； 呼一印制线条的宽度；一电介质绝缘层的厚度。图1微带线结构影响pcb印制线条阻抗的因苹很多.如印制线 条的厚度和印嘯缘层的厚度电介质介电常数、焊盘的厚度.地线的路径和印制线 条的线间距等，在具体加工和设计pcb的阻抗时, 一般控制其主要因素：和w.，几 *. ° .厶 jf 二 j f , 1图2微带波导结构l 2 1介电常数介电常数随着频率的增加而减小.所以在实际应用中应根据工作频率确圧材料的介电常数一般 选用平均值即可满足要求。通常情况下选用的材

6、料 为fr- 4 fr- 4的©也随信号频率的变化有一定 改变不过在1 ghz以下一般认为fr-4材料的& 值约为4 2。使用频率为l 5 ghz 2 oghz时& 仍有下降的空间二故设井时菴頁阻抗的要求，则必 须考虑该产品鱼时的便用噸車wag122介质层厚度从阻抗计算公式可看出特征阻抗z）是与介质厚度的自然对数成正比的，因而可知介质 厚度越厚，其特征阻抗越大，所以介质厚度是影响特征阻抗的一个主耍因素，对于特征阻抗 严格控制的高频线路来说，对覆铜板的介质厚度的误差应提出严格要求。l 2 3传输线宽度该因素根据需要的特征阻抗由设计人员给出. 但在设计时应充分考虑线宽对该

7、阻抗值的配合性, 即为达到该阻抗值在一定的h、匚和使用频率等条 件下线宽的使用是有一定限制的°例如gps接收机的射频模块接受天线传送过 来的信号并进行变频这是所有后端处理的基础，其 接受信号的能力直接影响接收机的性能，射频模块 输入端的传输线设计非常重要传输线设计的好坏 以及天线输出端到射频模块输入端的阻抗是否匹配，直接影响到gps接收机的信号质量。在pcb的 电路设计时需要对射频模块输入端的传输线进行阻 抗控制控制值为50 q,并利用lc匹配网络来进行 阻抗匹配这就需要对传输线的宽度、厚度.走线方 式等都进行考虑，gps的工作频率为1 575 mhzpcb采用fr- 4介电常数e为

8、4 2介质层厚度 为0 28 mm,传输线厚度t为0 04 mm。现根据需耍，取线间距b为q 71 mm可计算出应取的传输线宽度为q 56 mm.pcb设计卯痂顫时应当事先与pcb生产商的工程师协商，了解工艺参数，pcb生产商根据口己生产的工艺参数，适当修止 设计者的设计值，提供合理的阻抗值区问來达到设计要求。为使射频传输线在信号传输时不 发生反射现象，降低传输损耗，得到完幣可靠、无干扰噪音的传输信号，在进行pcb电路设 计时，射频电路传输线通常要求阻抗控制为50 o2 pcb的地线结构分析21地线网格地线网格结构如图3所示，这样可以使信号回流的平行地线数目大幅度地增加，从而使 地线电感对任何

9、信号而言都保持最小，回流电流的环路面积也可大大减小，衣进行布线时， 首先将地线网格布好，然后再进行信号线和电源线的布线。这种地线结构特别适用于数字电 路，但不适介低频小信号模拟电路，因为在低频小信号模拟电路屮要避免公共阻抗耦介。高速数字电路中，必须避免“梳状”地线结构，如图4所示，这种地线结构容易使信号冋 流电流的环路很人，会增加电磁辐射和电路的敬感度,在梳齿之问加上横线，梳状地线结构 很容易变为地线网格c22地线面地线网格无限密就构成了一个连续的导体平面，这个平面称为地线而，在多层板中很容 易实现，地线面能捉供最小的回路电感，特别适合于射频电路和高速数字电路。图4梳状地线结构从电磁兼容的介

10、可大大减小地线地线而的主要作用是 流电流的环路而积最小，从而有效减少地线骚扰。在高频时，回流信号并不一定走儿何上最短的路径，而会 走最靠近信号线的低阻抗路径，这是因为这种路径与信号线z问的环路而积最小，具有最小 的电感和最小的阻抗，地线面总是可以保证冋流电流取最佳路径。两根电流方向相反的平行 导线的环路电感为：£ l, > - 3/(3)式中：厶和匚一毎ftbt线的电感；川一两根泄纽之何的互感.阳与两根走线间的距离成反比，当两帳走统更 合时,if = , = 7 /.= 0.地线而与走线z间的距肉 很小从而使樹坏路电感般小小地线山i上的电流应谅是连续的才能取須预期的 效果并&#

11、163;l不能務数7电曲的地住而与模加电路的 地线面区域亚査，例如：芳地线而因分开敌字地和模 拟地而需娈开槽时如图5所示.高速侑u线不应 垮越橹竦以免坏路面枳扩大.髙频时电涼虚环路电 感址小的途於*路血枳越小.环捋电憊就越小.如 果商速依号线椅越梢給，则回流线破迫绕过桥縫必 然使环踣面积加大，0藝时可以在槽上架“桥：如 图6所不.例如，可将a/d变换器就置于桥上其 堆脚如果在模拟地佩数7们号的冋滝就可过桥 冋到地腮从而保证环血枳绘小，也可以用电容架设 桥.此外.还应港免禅违接器安装在帯缝匕因为如 果两侧存在絞大地电位.誦:金通过外接电续产生共 椀辐射地线血还可有效控制串扰，走线之问的串扰机理有

12、电感藕合、电容藕合和公共阻抗藕合等, 地线而可将公共地线阻抗大幅减小，还可降低导线对地的 电容，并目地线面可使不同的信号冋路不在一个平面内，从而对减少电感藕合有好处。由于对所有的信号线都实现最佳地线布线是不可能的，在设计时要区别对待，从干扰发 射角度考虑，最重要的信号是高电流变化率信号，如时钟线、数据线和大功率方波振荡器等, 从敏感度角度考虑，最重要的信号是沿触发输入、时钟系统和小信号模拟放大器等，分离出 这些重要信号重点考虑。3 pcb布线原则在pcb布线时，应先确定元器件在板上的位置，然后布置地线和电源线，再安排高速信 号线，最后考虑低速信号线3 5。元器件的位置应按电源电压、数字膜拟电路

13、、速度快慢和电流大小等进行分组，以免相 互干扰，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卬 制板的一侧，尽可能避免从两侧引岀电缆，减少共模辐射。(1)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，应按图7所示布置，髙速的器件 (快逻辑、时钟振荡器等)应安放在紧靠边沿连接器范囤内，而低速逻辑和存储器应安放在远 离连接器范围内，对共阻抗藕合、辐射和交扰的减小都是有利的。低速逻辑电路中速逻辑电路inn斑速iln笑轨电路丿低越/低电平 信号桶脚窈速信号插脚图7分区布置图(2) 保持印制线条的连续性在布置印制导线时，要避免线宽的突变和导线 的突然拐角，拐弯最

14、好设计成135。走向，或设计成 圆形、圆弧形，切忌画成90或更小角度形状。(3) 电源线、信号线和地线的位置关系在pcb±会形成大量的电源线和信号线回路. 无论是数字电路还是模拟电路，只要电路中有交变 的电流流过，在电路周围就会产生交变的磁场形成 等效磁场天线其发射场强(e )与环路中的电流强 度(/)甘路面积(4 )撷率的平方(/)成正比，与距 离(“成反比，所以在印制板布线时，电源线和信号 http:/www.emcc线应尽可能靠近地线，以减小差模辐射的环面积，这样有助于减小电路的交扰。(4) 数字电路和模拟电路要分开，最好女排在不同层内，地和电源都要分开，因为数

15、字 信号有很宽的频谱，是产生骚扰的主要来源。(5) 时钟电路和高频电路是主要的骚扰辐射源，一定要单独女排，远离敏感电路。(6) 电源平面应靠近接地平面,并|-|安排在接地平miz下，这样可以利用两金属平板 问的电容作电源的平滑电容，同时接地平面还对电源平面上分布的辐射电流起到屏蔽作用; 布线层应安排与整块金属平面相邻，可以产生通量对消作用。(7) 20-/ 原则所有的具有一疋电压的印制电路板都会向空间辐射电磁能量，在一定频率下两块金属板的边缘场 会产生辐射，减小一块金属板的边界尺寸使其比另一块接地板小可将向空间的辐射大大哀减，据w. m ichaelkiig提出：当尺寸小至10h (h是两层印制 板的间距)时，辐射强度开始下降，当尺寸小至20h 时,辐射强度下降70%.,所以电源层和信号层的物理尺寸应比最靠近的接地层小20h.(8)2-0原则当两条