PCB的电磁兼容设计(修改版)课件

第五章PCB的电磁兼容设计

一、PCB概述二．电路板设计的一般规律三、单面板、双面板、多层板的设计四、关于电路设计的一些有益建议五、印制电路（PCB）设计的相关问题及解决方法一、PCB概述1、PCB的演变早于1903年Mr.AlbertHanson首创利用“线路”(Circuit)观念应用于电话交换机系统,它是用金属箔予以切割成线路导体将之黏着于石蜡纸上上面同样贴上一层石蜡纸成了现今PCB的机构雏型；1936年DrPaulEisner真正发明了PCB的制作技术,也发表多项专利,而今日之print-etch(photoimagetransfer)的技术就是沿袭其发明而来的。2、PCB分类表3、PCB的种类A.以材质分a.有机材质：酚醛树脂玻璃纤维/环氧树脂PolyamideBT/Epoxy等b.无机材质：铝,CopperInver-copperceramic等,主要取其散热功能高频基板材料的基本特性

介电常数(Dk)必须小而且很稳定，通常是越小越好信号的传送速率与材料介电常数的平方根成反比，高介电常数容易造成信号传输延迟。

介质损耗(Df)必须小，这主要影响到信号传送的品质，介质损耗越小使信号损耗也越小。高频基板材料的基本特性

与铜箔的热膨胀系数尽量一致，因为不一致会在冷热变化中造成铜箔分离。

吸水性要低、吸水性高就会在受潮时影响介电常数与介质损耗。

其它耐热性、抗化学性、冲击强度、剥离强度等亦必须良好。B、以成品软硬区分a.硬板（RigidPCB）b.软板（FlexiblePCB）c.软硬板（Rigid-FlexPCB）C、以结构区分a.单面板:(早期的电路才使用)

单面板的零件集中在其中一面，导线则集中在另一面上。因为导线只出现在其中一面，所以我们就称这种PCB叫作单面板（Single-sided）。C、以结构区分b.双面板:（更适合用在比单面板更复杂的电路）双面板的两面都有布线。不过要用上两面的导线，必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的「桥梁」叫做导孔（via）。导孔是在PCB上，充满或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接。因为双面板的面积比单面板大了一倍，而且因为布线可以互相交错（可以绕到另一面）。C、以结构区分c.多层板：多层板使用数片双面板，并在每层板间放进一层绝缘层后黏牢（压合）。

在多层板PCB中，整层都直接连接上地线与电源。所以我们将各层分类为信号层（Signal）、电源层（Power）、地线层（Ground）。如果PCB上的零件需要不同的电源供应，通常这类PCB会有两层以上的电源与地平面层。埋孔（Buriedvias）和盲孔（Blindvias）通常也会在多层板中得到应用。D、依用途分a.通信b.耗用性电子c.军用d.计算机e.半导体f.电测板。4、PCB工艺技术发展的三个阶段从1903年至今，若以PCB组装技术的应用和发展角度来看,可分为三个阶段：①通孔插装技术(THT)阶段PCB②表面安装技术（SMT）阶段PCB③芯片级封装(CSP)阶段PCB二．电路板设计的一般规律在印制电路板布线时应先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，最后再考虑低速信号线。元器件的位置应按电源电压、数字及模拟电路、速度高低、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电路板上连接器各个引脚的安排。所有连接器应安排在印制电路板的一侧，尽量避免从两侧引出电缆，减小共模辐射。1、电路板的布局原则电路板的布局原则包括：①数字电路和模拟电路要分开布局，尤其是与低电平模拟电路要尽可能远地分开，以避免产生公共阻抗问题；②对高速、中速和低速电路要分开布局，使其分别使用各自的区域。电路板的布局实例：2、电路板的布线（1）电源线、地线噪声产生原因：电源线上的电流ICC：在输出状态不同时，幅值是不同的。输出稳定时，电流也是稳定的。当输出从低变为高时，由于瞬间短路，电流增加，同时需要给电路中的寄生电容充电，电流更大。当输出从高变为低时，由于瞬间短路，电流增加，但不需要给电路中的寄生电容充电，因此电流较输出从低变为高时为小。电源线上的电压VCC：当电流ICC发生突变时，由于电源线的电感L，会有感应电压Ldi/dt产生。2、电路板的一般布线规律（1）电源线、地线噪声产生原因：地线上的电流Ig：地线上的电流是电源线上的电流与电路中寄生电容放电电流之和。在输出稳定时，电流也是稳定的。当输出从低变为高时，由于瞬间短路，电流增加。当输出从高变为低时，由于瞬间短路，电流增加，同时由于电路中的寄生电容放电，因此电流峰值较输出从低变为高时更大。地线上的电压Vg：当电流Ig发生突变时，由于地线的电感L，会有感应电压Ldi/dt产生。电源线、地线噪声产生原因及电压波形输出ICCVCCIgVg2、电路板的一般布线规律（2）地线布线规律

在进行电路板布线时，应首先将地线网格布好，然后再进行信号线和电源线的布线。当进行双面板布线时，如果过孔的阻抗可以忽略，那么可以在电路板的一个面走横线，另一个面走竖线。注意：一个低阻抗的地线网格是很重要的，但最终地线网格还是要与主参考地结构连接起来，这种连接可以是间接的(通过电容器)，也可以是直接的。地线网格

在进行电路板布线时，应首先将地线网格布好，然后再进行信号线和电源线的布线。

地线网格特别适用于数字电路，但它并不适合于小信号模拟电路，因为这时要避免公共阻抗的耦合。在这种情况下，应该强调不同区域(对应于不同性质的电路，见图18.1)使用各自的地线和电源线，这些地线不能简单地串联起来，而应当分别处理，最后再汇集到一点。还有一种地线方式是必须避免的，这就是梳状地线。要特别避免将这种结构用于高速数字电路，因为这种地线结构使信号回流电流的环路很大，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动作。实际上只要在梳齿之间加上横线，就很容易将梳齿地线结构变成地线网格，如图18.2所示。

电路板上的高频去耦电容对减小电流峰值在公共阻抗上的压降有很大好处。此外，在地线布局时应尽量考虑加粗地线，最好使线宽达到2～3mm以上。要让地线通过电流的能力达到印制电路板布线允许值的3倍以上。（3）电源线布线规律

根据通过电流的大小尽量放宽电源线布线的宽度。

电源和地线走向要一致，走线要尽量靠近，最好的办法是电源线走电路板的一面，而地线走另一面的重合部分，这将导致电源阻抗最低；同时还有利于减小差模发射的环路面积，从而减小电路之间的相互干扰。

除了上面已经提到的一些措施外，在印制电路板设计中有一条不成文的设计原则，即对电源和地线应保留尽可能多的铜，这将有利于减小电源和地部分的阻抗，以及减小电路的对外辐射和敏感度。此外，在印制电路板的电源线入口对地处应布置10～100μF或更大的去耦电容。（4）电路板的一般布线原则功率线、交流线应尽量与信号线布置在不同的印制电路板上，否则应和信号线分开走线。特别注意高频电路的电源和地线的分配问题。对模拟电路要敷设专门的地线。模拟地和数字地可以在模数转换器的部位单点连接。为减小长距离平行走线的串扰，必要时可增加印制线条间的距离，或在走线之间有意识地安插一条地线(或电源线)作为线间的隔离。

要注意电流流通过程的导线环路面积，因为载流回路对外的辐射与通过电流、环路面积、信号频率等的乘积成正比。减小环路面积(特别是减小时钟电路的面积，因为这是整个电路中频率最高的部分)就是减小电路板对外的辐射。同样，减小环路面积对敏感电路来说，也就减少了接受外界感应的机会。

要在印制电路板插头上多安排一些彼此分散的地线输入脚

(最好的做法是：一根地线和一根信号线的相互间隔；次好的做法是：在一根地线旁边配两根信号线，如信号—地—信号—信号—地—信号—信号—地—信号……的格局)，这有助于减小印制电路板插脚配线的环路面积及均衡电路板上的地线电流以减小地线的阻抗。如有可能，要尽量减小导线的长度，增加导线的宽度，这有利于减小导线的阻抗。印制电路板上的布线宽度不要突变，导线不要突然拐角，尽可能地保持线路阻抗的连续，防止因线路阻抗突变造成波形传输过程中的反射与畸变。此外，导线也不要走直角或尖角，防止场的分布过于集中。双面板的正、反两面的线最好能垂直布置，这样有利于防止相互干扰。发热的器件(如大功率电阻等)应避开易受温度影响的器件(如电解电容等)布局。（5）电路板布线中应说明的其他问题

①输入/偷出的地线处理：为了减小电缆上的共模辐射，需要对电缆采取滤波和屏蔽措施。但不论滤波还是屏蔽，都需要一个没有受到内部骚扰污染的干净地。当地线不干净时，对高频的滤波几乎没有作用。除非在布线时就考虑这个问题，一般这种干净地是不存在的。

干净地既可以是印制电路板上的一个区域，也可以是一块金属板。所有输入-偷出线的滤波和屏蔽必须连到干净地上，如图所示：干净地与内部的地线只能在一点相连，这样可以避免内部信号电流流过干净地，造成污染。②输入/输出线的缓冲：需要与数字电路相连的接口应使用缓冲器，以避免直接连到数字电路的地线上。比较理想的接口是光电隔离器，这当然会增加一点成本。当不能提供隔离时，可以使用以输入/输出地为参考点的缓冲芯片，或者使用电阻或扼流圈缓冲，并在电路板接口处使用电容滤波。③电路板与机壳的连接：从提高设备工作可靠性的角度出发，经常要把电路板的地线连至机壳上。当电路地与机壳需要直流隔离时，可使用一个10～100nF的射频电容器连接。绝对禁止在电路板上有两个以上的点与机壳相连。这对于静电防护特别重要，否则有可能使高频静电放电电流通过印制电路板，从而影响电路板上器件的工作。④电路板设计中的侧重点：

由于对所有信号线都实现最佳布线是不可能的，因此在设计时应首先考虑最重要的部分。从电磁骚扰发射的角度考虑，最重要的信号是高电流变化率(di/dt)信号，如时钟线、数据线、大功率方波振荡器等。从敏感度的角度考虑，最重要的信号是前、后沿触发输入电路、时钟系统、小信号模拟放大器等。一旦把这些重要信号分离出来，就可以把设计重点放到这些电路上。三、单面板、双面板、多层板的设计

1．单面板单面板制造简单，装配方便，适用于一般电路的要求，不适用于要求高的组装密度或复杂电路的场合。如果电路板的布局设计合理，则可以达到电磁兼容的要求。2．双面板双面板适用于只要求中等装配密度的场合。安装在这类板上的元器件易于维修或更换。使用双面板比单面板更加有利于实现电磁兼容性设计。

当进行单面板或双面板(这意味着没有专门的电源面和地线面)的布线时，最快的办法是先人工布好地线，然后将关键信号(如高速时钟信号或敏感电路)在靠近它们的地回路旁边布置，最后对其他电路进行布线。为了使一开始就有一个明确的目标，在电路图上应给出尽量多的信息，其中包括：·不同功能模块在电路板上的位置要求。·敏感器件和I/O接口的位置要求。·线路图上应标明不同的地线，以及对关键连线的要求。·标明在哪些地方不同的地线可以连接起来，哪些地方不允许。·哪些信号线必须靠近地线。3、多层板的设计设计高速逻辑电路时，若使用单面板或双面板不能满足电磁兼容性要求，则应研究多层板的应用。多层板是由3层以上的分离导电图形粘接层压制而成。电源和回路总线是由35μm铜箔板构成。这样，电源分配系统组成大的平面，具有极低的分布源阻抗。因此，多层板比单面板或双面板更能避免公共阻抗耦合。多层板的缺点是由于结构复杂，使维修困难，而且价格昂贵，只适用于设计预期变化不大或没有变化的场合。

右图中：

板间是通过金属化孔互连

A层被指定为互连板，含有元器件；

B层被指定为0V和回路基准电位，除了用于连接A层与C层的贯通孔之外，它是一个整体的地平面；

C层被指定为分配层；

D层和第A层一样被指定为互连板。

0V回路层和分配层形成一个低阻抗的电源分配系统，这归因于板间的大电容、铜箔的低电感和低电阻。它们还可作为A层和D层辐射骚扰的屏蔽。

从电磁兼容的角度看，地线面的主要作用是减小地线阻抗，从而减少地线骚扰。地线面和电源面的屏蔽作用是很小的，特别是当器件安装在电路板表面时，它们几乎没有屏蔽作用。另外，将地线面和电源面布置在最外层也没有什么好处，特别是在考虑调试、维修和修改等因素时。

地线面的另一个好处是能使辐射的环路变得最小，这对于要求电路板有最小的差模辐射及最小的对外界骚扰敏感度都是有力保证(与此类似，在单面板或双面板的处理中，必须在高频电路或敏感电路的邻近处敷设一根地线)。多层板的设计

设计多层印制电路板时首先要决定选用的多层板层数。其次，叠层结构的设计主要考虑以下因素：–稳定、低噪声、低交流阻抗–传输线结构要求–传输线特性阻抗要求–串扰噪声抑制–空间电磁干扰的吸收和屏蔽–结构对称，防止变形在高速数字设计中的一般规则是：–电源层数+地层数=信号层数–电源层和地层尽可能成对设计，并至少有一对是“背靠背”设计–采用带状线结构，关键信号传输应采用对称带状线两层板POWER和GND网格布线，环路面积小于1.5平方英寸；POWER和GND成90度布线,不同层；地位于顶层垂直走线,电源位于底层,水平布线；在每一个POWER和GND交接处及每一个IC处,放去耦电容；两层板使用辐射状走线四层板多层板能减小辐射信号1电源层地线层信号2低频高频DC~0.51101001G110地线面的阻抗，m/平方地线面具有很小的地线阻抗说明1：四层线路板通常将电源和地线放在中间两层，这样有以下好处：1便于维护2两层信号走线之间的串扰小3电源层和地线层之间距离较小，因此阻抗很小，适合于电源噪声解耦。如果将地线和电源线层放在外边，将信号线加在中间，从减小辐射的角度可能会有些好处，但是下面的缺点使这种方法很少使用：1无法对走线进行维护、修理2两个信号层上的走线必须垂直，否则会发生较严重的串扰3不利于使用表面安装器件4降低了信号线的阻抗，增加了电路负荷说明2：如果线路板上有模拟电路和数字电路，它们的地线面要分开，但要在同一层地线面上划分，而不要用两层分别做地线，因为两层地线面之间的耦合很严重。总之，PCB的分层及叠层是一个比较复杂的事情。有多方面的因素要考虑。但我们应当记住我们要完成的功能，需要那些关键因素。这样才能找到一个符合我们要求的印制板分层及叠层顺序。多层板的层间安排随电路而变，但需掌握以下几条原则：（1）地平面的主要目的是提供一个低阻抗的地，并且给电源层提供最小的噪声回流。在实际布线中，两地层之间的信号层和与地层相邻的信号层是多层板布线中优先考虑的布线层。高速线、时钟线和总线等重要信号或对干扰敏感的信号，应在这些优先信号层上布线和换层。（2）电源平面应靠近接地平面，并且安排在接地平面之下。这样可以利用两金属平板间的电容作为电源的平滑电容，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。（3）把数字电路和模拟电路分开，有条件时，将数字电路和模拟电路安排在不同的层内。其中，模拟电路的低电平及高电平分别布在地线层和电源层的两侧。（4）如果一定要把数字电路和模拟电路安排在同一层内，可采用开沟、加接地线条、分隔等方法补救。模拟地、数字地及电源都要分开，不能混用。数字信号有很宽的频谱，是产生骚扰的主要来源。（5）为了抑制大功率器件对微处理器的干扰，以及大功率器件与数字电路对模拟电路的干扰，除了这些部分应当布置在不同区域外，在处理这几部分电源线的相互连接时，特别是与模拟电路的电源连接时，可以用穿了线的铁氧体磁环(铜线在磁环上绕一匝至两匝)跨接在两部分电源之间。穿线的铁氧体磁环实际上是一个高频电感，对于低频模拟信号可以看成零阻抗，然而对高频信号则体现出较高阻抗，从而阻止了数字部分对模拟电路的干扰。当然，在模拟电路的电源入口处，如能对地再配合一个高频去耦电容，则效果会更好。（6）时钟电路和高频电路是主要的骚扰和辐射源，一定要单独安排，远离敏感电路。（7）印制线条(特别是时钟线)要尽量短、宽、直和均匀，不要任意换层布线。遇拐角则尽量采用45o过渡，不要用90o。线不要突变，避免阻抗突变产生信号反射。（8）印制电路的线条互相靠近时会产生串扰，为避免这种情况的发生，线距不要小于线宽的2倍。（9）20-H原则：地线层外缘要大于信号层，若层高为H，当外缘大于10H时，辐射将明显减小。当外缘大于20H时，辐射要减小70％；外缘达到100H时，辐射要减小98％。线路板边缘的一些问题关键线（时钟、射频等）产生较强辐射无地线电源层地线层20H在线路板的边缘，信号线或电源线上电流会产生更强的辐射。为了避免这种情况的发生，在线路板的边缘要注意以下几点：20H规则：在线路板的边缘，地线面比电源层和信号层至少外延出20H，H是线路板上地线面与电源线面或信号线层之间的距离。这条规则也适合于在线路板上的不同区域的边缘场合。3-W法则：当在PCB板上，间距是线宽的2倍时，基本上可以不考虑串扰的影响。（W=线宽）关键线：关键线（时钟信号线等）不要太靠近线路板的边缘，这也包括线路板上不同区域的边缘。四、关于电路设计的一些有益建议

（1）只要满足要求，宁可使用速度较低的电路，不要为了减少芯片而片面地使用高速电路；（2）只要满足要求，尽量采用系统主频低的电路；（3）只要可能，宁可用数字电路，而不用模拟电路；（4）对有用信号来说，模拟信号电平尽量取高的；而数字信号的脉冲幅度尽量用低的；（5）对于数字电路来说，采用状态触发的逻辑比沿边触发更好；（6）闲置不用的门输入端不要悬空。闲置的与门输入脚要接正电源；闲置的或门输入脚要接地。也可将闲置输人脚与同一集成电路的其他输入脚并联使用；（7）闲置不用的运放的正输入端要接地，负输入端接运放的输出端。（8）如果匹配不成问题，最好使用低电阻和低输人阻抗的电路，这时尽管功耗和di/dt会有所增加，但低输入阻抗的电路在外界电磁现象作用下所感应出来的干扰比较小，有利于提高线路的抗干扰能力。（9）对于接口和外围设备，尽可能采用牢固的双极电路而少用CMOS电路，因为前者具有较低的输入阻抗。（10）对数字电路来说，