中心論題：
- 如何抑制電源布線(xiàn)產(chǎn)生的電磁干擾
- 如何抑制信號布線(xiàn)產(chǎn)生的電磁干擾
解決方案：
- 使用電源平面法、共地平面法和電源母線(xiàn)法抑制電源布線(xiàn)電磁干擾
- 增大信號線(xiàn)之間的距離，減小信號線(xiàn)與地之間的距離抑制信號布線(xiàn)電磁干擾
- 設計印制電路板應遵循一定原則來(lái)抵抗電磁干擾
印制電路板是電子線(xiàn)路中電子元件的支托部件，它提供了電路中元器件之間的電氣連接。隨著(zhù)電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，電子系統特別是高頻電路中邏輯和系統時(shí)鐘頻率的迅速提高和信號邊沿不斷變得陡峭，由此產(chǎn)生的電磁干擾(通常稱(chēng)為噪聲)越來(lái)越突出，抗干擾問(wèn)題越來(lái)越引起人們的重視。而抑制電磁干擾應從電子產(chǎn)品制作的初級階段開(kāi)始，從印制電路板的布線(xiàn)制作著(zhù)手。印制電路板的布線(xiàn)設計，既要考慮減少電子系統的電磁干擾，又要做到提高電子系統抗干擾的能力，防止電磁干擾的吸收和傳遞，即需做到電磁兼容。
本文主要討論在印制電路板的布線(xiàn)設計中電源布線(xiàn)和信號布線(xiàn)的電磁干擾問(wèn)題。若兩種布線(xiàn)設計不好，電磁干擾將直接影響著(zhù)自身或別的電子設備或系統的工作性能，嚴重時(shí)還會(huì )使人們的生命財產(chǎn)受到威脅。
電源布線(xiàn)產(chǎn)生的電磁干擾及干擾的抑制
a.電源布線(xiàn)產(chǎn)生的電磁干擾
電源布線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生分布電容、分布電感、分布電阻。印制電路板上供電電源通常為直流電源，供電的主要目的是為印制電路板上的每個(gè)用電元器件提供一個(gè)準確的電壓。而電源所驅動(dòng)的負載常具有瞬態(tài)變化的特性，受分布阻抗的影響，負載電壓或電流的瞬態(tài)變化會(huì )引起電源電壓或電流發(fā)生瞬態(tài)變化，這如同在電源的負載端接上一個(gè)瞬態(tài)變化的信號源。特別是在高頻，有的器件工作在數字開(kāi)關(guān)狀態(tài)，這一現象更為突出。這樣電源布線(xiàn)既含有直流電壓，又含有瞬態(tài)變化的電壓(稱(chēng)為寄生電壓)，瞬變電壓會(huì )產(chǎn)生高次諧波，其都是產(chǎn)生電磁干擾的主要來(lái)源[2]81-82。在高頻時(shí)，電源布線(xiàn)可被看成傳輸線(xiàn)[3]41，電源布線(xiàn)某點(diǎn)上的干擾電壓或電流在分布電容和分布電感的相互作用下產(chǎn)生振蕩，影響電路的穩定工作。
目前在電子、電器、信息領(lǐng)域應用較多的開(kāi)關(guān)電源具有節能和高效的優(yōu)勢，開(kāi)關(guān)電源向著(zhù)高頻化、小型化發(fā)展，應用日趨廣泛。但開(kāi)關(guān)電源中功率管在高壓下以高頻開(kāi)關(guān)方式工作。高頻開(kāi)關(guān)和電流接近方波，這些方波信號中含有豐富的高次諧波噪聲。開(kāi)關(guān)電源的高頻器件在通斷時(shí)，常常產(chǎn)生高頻高壓的尖峰振蕩波，通過(guò)分布電容向空間輻射[2]73。同時(shí)與電源一起工作的整流二極管也會(huì )產(chǎn)生高頻干擾，一般離電源較近，容易通過(guò)直流輸出線(xiàn)向外輻射電磁干擾。
電源布線(xiàn)同時(shí)也是電磁干擾的接收器，外來(lái)的干擾噪聲也會(huì )耦合到電源布線(xiàn)中，通過(guò)傳導，傳給所連接的電子器件。
b.電源布線(xiàn)的防干擾措施
電源布線(xiàn)可采取以下抗干擾措施：
1.電源平面法
利用印制電路板的一層作為電源平面層，至少有一層作為地平面，每一層只能提供一種電源電壓，通過(guò)印制電路板上的過(guò)孔將電源電壓引到器件上。這種做法使電源布線(xiàn)分布阻抗非常小，電路壓降小，器件上能得到穩定的直流電壓[2]83。同時(shí)平面間靠得很近，能較好地抑制電場(chǎng)耦合。且電源平面往返電流大小相等，磁場(chǎng)干擾能抵消。但這種布線(xiàn)成本高，多用在高速系統中，若需幾種電壓，將需增加平面層數，成本更高。
2.共地平面法
這個(gè)地作為電源及電子器件的公共地，高頻布線(xiàn)設計中，電流的返回路徑對系統的影響比較大，由于是平面地，電源及所有信號(包括發(fā)送和接收)返回路徑的附加阻抗非常小，壓降可忽略，各器件上就能得到穩定的電源電壓。同時(shí)，所有的電源去線(xiàn)與信號線(xiàn)都與平面地成鏡像關(guān)系，形成的電流也是鏡像電流，電磁干擾耦合得到較好地抑制。
3.電源母線(xiàn)法
這種布線(xiàn)設計可分別提供幾種電壓。布線(xiàn)的條數由器件的多少而定。這種布線(xiàn)比上述兩種布線(xiàn)方法抗電磁干擾能力稍差，但成本小。這種布線(xiàn)要達到以下要求：
(1)布線(xiàn)要寬。
(2)加去耦電容。這種電容起到旁路濾波的作用。要在電源的輸入端并聯(lián)較大的和較小的濾波電容。在高頻時(shí)，實(shí)際的電容器相當于帶通濾波器，它可等效為電感、電阻和電容的串聯(lián)，較大的和較小的電容并聯(lián)使用，目的是增加旁路濾波的帶寬。同時(shí)，在每一個(gè)有源器件的電源引腳與地之間也要并聯(lián)一個(gè)電容器，容量一般在0.01 μF～0.1 μF，這個(gè)并聯(lián)電容相當于噪聲濾波器，能濾掉高頻諧波噪聲[1]89-91。
(3)地線(xiàn)環(huán)繞，作為母線(xiàn)中的地線(xiàn)可以不等寬，但寬窄過(guò)渡要平滑，以避免產(chǎn)生噪聲，地線(xiàn)要靠近供電電源母線(xiàn)和信號線(xiàn)，因電流沿路徑傳輸會(huì )產(chǎn)生回路電感[2]92，地線(xiàn)靠近，回路面積減小，電感量減小，回路阻抗減小，從而減小電磁干擾耦合。
信號布線(xiàn)產(chǎn)生的干擾及干擾的抑制
電磁干擾的存在必須具有三個(gè)條件，一是電磁干擾源，例如：工作中的高頻大功率器件，二是電磁干擾敏感件，三是電磁干擾的傳播途徑，例如信號布線(xiàn)和電源布線(xiàn)[1]2，前兩種可采用屏蔽的方法以防止電磁干擾的輻射(對要求實(shí)現向外輻射電磁能量功能的電子產(chǎn)品除外)和吸收。
布線(xiàn)設計處在印制電路板制作的最早階段，此時(shí)融入的電磁兼容的自由度最大，所用成本最低，必須充分考慮它的電磁兼容性能。信號布線(xiàn)同樣有分布電感、分布電容和分布電阻，它們代表了干擾耦合路徑的分布參數，這些分布參數隨信號頻率的增加而增大。
只要兩條線(xiàn)有電位差，兩條線(xiàn)間就會(huì )存在電場(chǎng)。假設三條導線(xiàn)，A、B分別為信號線(xiàn)，D為地線(xiàn)，CAD為A的分布電容，若A的電位比B的高，B處在A(yíng)的某個(gè)或某些等位面上，A中的電位就會(huì )與B發(fā)生耦合，這種電場(chǎng)耦合為容性耦合。同理B與A也可能產(chǎn)生這種耦合。抑制容性耦合的方法：一是要增大兩布線(xiàn)導線(xiàn)間的距離(大于干擾信號最大波長(cháng)的四分之一)[2]9，二是要減小信號線(xiàn)與地之間的距離。
若A、B兩導線(xiàn)靠近，當導線(xiàn)A中有電流時(shí)，它的周?chē)痛嬖谥?zhù)磁場(chǎng)，磁感線(xiàn)就會(huì )有一部分環(huán)繞到導體B組成的回路中，B回路就被感應出感生電流，這種磁場(chǎng)干擾耦合屬于感性干擾(互感)耦合。同時(shí)，若A導線(xiàn)中的電流發(fā)生變化，還會(huì )存在自感，也會(huì )產(chǎn)生感性干擾(自感)耦合。抑制感性干擾耦合的方法：一是增大信號線(xiàn)與信號線(xiàn)之間的距離，以減小互感，原因是互感系數與距離成反比[4]224。二是減小信號線(xiàn)與地之間的距離，以減小信號線(xiàn)與地之間圍成的磁通面積。減小線(xiàn)地距離外，還應盡量避免信號線(xiàn)的平行布設。
印制電路板上還存在其他干擾，如溫度噪聲。
印制電路板在考慮抗電磁干擾方面應遵循的原則
- 首先考慮整個(gè)電路板的尺寸，不使用比實(shí)際需要更大的印制電路板。
- 不同功能的單元電路(如數字電路與模擬電路，高頻與低頻)分開(kāi)設置，布線(xiàn)圖形應易于信號流通且使信號流向盡可能保持一致。
- 印制導線(xiàn)盡可能短而寬。它的最小寬度應以能承受電流的大小(一般是額定電流的2—3倍)而定，但最小寬度不宜小于0.2 mm。在高密度、高精度的印制線(xiàn)路中，導線(xiàn)寬度和間距一般可取0.3 mm，地線(xiàn)寬度最小為2 mm。印制導線(xiàn)的拐彎應成圓角，各層電路板的導線(xiàn)應相互垂直，斜交(或彎曲走線(xiàn))，避免相互平行。
- 合理使用屏蔽和濾波技術(shù)，注意高低壓之間的隔離。
- 元件的選用，盡量不選用比實(shí)際需要的速度更快的元件，在元件的位置安排上，易受電磁干擾的元器件不能相距太近，應大于信號波長(cháng)的四分之一，輸入器件與輸出器件盡量遠離。
- 做到安全接地。低頻電路(1 MHz以下)可用單點(diǎn)并聯(lián)接地。這種接地方式可使各電路的電流流過(guò)導線(xiàn)時(shí)所產(chǎn)生的壓降互不影響，不會(huì )形成干擾，但這種接地方式對復雜系統實(shí)現起來(lái)很麻煩。常用的是串聯(lián)單點(diǎn)接地，但這種方式中各電路的電流要流過(guò)一個(gè)公共的阻抗，各電路接地點(diǎn)所產(chǎn)生的壓降會(huì )對各電路造成不同程度的干擾。高頻電路(10 MHz以上)必須采用多點(diǎn)接地。一個(gè)復雜的電子系統會(huì )存在電源地、信號地和屏蔽地，應把它們接到公共的地線(xiàn)上。
