在此次“EMC設計工作坊”中，馬老師再次強調了在設計階段解決電磁兼容問(wèn)題是十分重要的，從圖1可見(jiàn)，在設計階段解決EMC問(wèn)題，不僅可以降低成本，和降低解決EMC問(wèn)題的難度，也大大縮短了時(shí)間。
如何做好PCB的EMC設計

設備和系統向外部環(huán)境發(fā)射的騷擾電平是通過(guò)傳導和輻射發(fā)射的途徑形成的。如果設備作為一個(gè)黑盒子，那么，內部騷擾源可通過(guò)電源電纜和信號電纜對外形成傳導發(fā)射，同時(shí)通過(guò)殼體向外輻射發(fā)射；反之，外部環(huán)境電磁場(chǎng)感應在電纜上的電壓形成電流，對設備敏感電路形成騷擾，或輻射場(chǎng)通過(guò)殼體直接進(jìn)入敏感電路產(chǎn)生騷擾，圖2所示是系統的騷擾電平：
由圖2不難看出，從騷擾源到受害設備離不開(kāi)傳播途徑，對輻射的傳播路徑是空間，而對傳導的傳播路徑是導體（電纜）。
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傳統的設計方法是用屏蔽、濾波和接地解決電纜口和殼體帶來(lái)的EMC問(wèn)題。但是大多數騷擾是在印制板電路上產(chǎn)生的，因此，在印制板電路設計的階段，考慮EMC設計是非常重要的，布線(xiàn)設計應盡量減少公共地阻抗耦合。由于線(xiàn)間電容和電感所形成串擾以及載流導線(xiàn)所形成射頻輻射耦合等，其中輻射發(fā)射是最難解決的。

1. 共模發(fā)射和差模發(fā)射

分析共模發(fā)射和差模發(fā)射對抑制騷擾電平是重要的，通常把線(xiàn)地的發(fā)射定義為共模發(fā)射，如圖3所示。而把線(xiàn)與線(xiàn)的發(fā)射定義為差模發(fā)射，如圖4所示。
 
式中：A－環(huán)面積。其它各符號與圖3相同。

由圖4不難看出，場(chǎng)強與回路面積成正比。為減少差模發(fā)射電平，除減少源電流外，應該減小環(huán)電路的面積。由圖3可知，若減小共模發(fā)射，應減小線(xiàn)的長(cháng)度。
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2. 脈沖信號的頻譜

數字信號的特點(diǎn)是方波信號，方波信號是基波和大量諧波正弦（或余弦）信號構成的，這可由傅立葉變換得到其頻域波形，因此，脈沖重復周期越短，其重復頻率越高，諧波頻率也越高。例如，時(shí)鐘觸發(fā)頻率為30MHz時(shí)，其諧波頻率可達1GHz。理論上方波的上升時(shí)間為零，則諧波含量是無(wú)窮的。但實(shí)際上是梯形波形，有一定的上升沿和下降沿。其方波的帶寬為，例如，上升沿τr為5ns的方波，其帶寬將達60MHz。

2.1 脈沖的時(shí)域/頻域變換（傅立葉變換）

通過(guò)傅立葉變換，矩形脈沖可分解為各次余弦（或正弦）波，其表達式為：
由圖5和圖6分析可知理想的方波，其頻譜是無(wú)限寬的。實(shí)際上，脈沖均有上升時(shí)間和下降時(shí)間，頻譜越寬，脈沖的上升和下降沿則越短。
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3. 印制電路板的分布參數

對高速印制板（PCB）的物理特性可以用傳輸線(xiàn)理論加以分析，如圖7所示：
對于無(wú)損耗傳輸線(xiàn)，即△R和△G均為零時(shí)，則特征阻抗，此時(shí)延遲時(shí)間。

對于高頻和窄導線(xiàn)傳輸線(xiàn)，由于分布電感和分部電容是可變的，所以特征阻抗不是恒定的，我們可以通過(guò)調整導線(xiàn)的寬度和信號線(xiàn)及其回線(xiàn)（零電位）的距離，設計成合適的特征阻抗，使源阻抗和負載阻抗達到匹配，從而減小失配，盡可能減小能量的反射，減小駐波的幅度，減小輻射的能量。

導線(xiàn)所形成的電感，是形成磁場(chǎng)的元件，如果減小導體的長(cháng)度，就會(huì )減小電感，那么磁輻射就會(huì )減小。

信號導線(xiàn)與零電位地回線(xiàn)之間所形成的電容是將高頻能量旁路到地的電容。因此，為了減小電場(chǎng)輻射，除減小環(huán)路面積外（見(jiàn)圖4），應盡可能減小信號線(xiàn)與零回線(xiàn)的間距，以增加信號導體與回線(xiàn)（零電位層）的電容值，這對抑制電場(chǎng)輻射十分有利的。

從以上分析說(shuō)明，通過(guò)調整回路的阻抗，希望回路的阻抗較低，一般是幾十歐姆量級，當回路的電感較大而電容較小時(shí)，相當于特性阻抗增大，回路的輻射增大。當電感較小而電容較大時(shí)，回路特性阻抗降低，回路的輻射也隨之降低。這種抑制回路電磁輻射的方法稱(chēng)為“自屏蔽”。
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4. 共模輻射和差模輻射

4.1 共模干擾抑制

如圖3所示，線(xiàn)對地所形成的高頻電壓所產(chǎn)生的輻射，稱(chēng)為共模輻射。共模輻射是電流經(jīng)印制板的多個(gè)導電層產(chǎn)生的，即電流流經(jīng)高阻抗路徑產(chǎn)生的電磁場(chǎng)所形成的。該磁場(chǎng)以共模電流的形式耦合到信號線(xiàn)、電源線(xiàn)和其它導線(xiàn)中，共模電流的特點(diǎn)是這些導體中電流方向均相同，這是因為這些導體中沒(méi)有形成閉合回路，所以不會(huì )產(chǎn)生反方向電流，是以棒天線(xiàn)向空間輻射電磁場(chǎng)的（見(jiàn)圖3）。值得注意的是不僅在印制電路板電路中，而且在電源饋線(xiàn)、及其它電纜中，甚至在屏蔽層中也能產(chǎn)生共模電流。共模輻射是印制電路設計最值得注意的問(wèn)題，通常產(chǎn)生共模輻射的原因是差模電流回路被切斷，印制布線(xiàn)被不同層面隔開(kāi),使回路繞過(guò)這些隔斷層，導致印制回路的電感增大，電容減小，使阻抗大大增加，增大電磁輻射；直流電源線(xiàn)的不合理布局，使器件電源引腳線(xiàn)加長(cháng)，增大了引線(xiàn)阻抗；電源層相對接地層位置不當（如，過(guò)遠），引起高阻抗，不恰當的電源布局，會(huì )導致嚴重的共模干擾。

抑制共模干擾是減小回路阻抗，正確處理電源回路的旁路和去耦。通過(guò)控制電源走線(xiàn)衰減共模干擾。

4．2 差模干擾抑制

通常稱(chēng)線(xiàn)對線(xiàn)的干擾為差模干擾，當信號從源流向負載時(shí)（見(jiàn)圖4）就會(huì )產(chǎn)生差模干擾。流經(jīng)負載的電流會(huì )在線(xiàn)上產(chǎn)生等值方向相反的電流。差模電流的抑制主要是減小回路的面積，要求信號線(xiàn)與地回線(xiàn)靠近走線(xiàn)。

4．3 印制電路中的共阻抗耦合

當模擬電路和數字電路在同一線(xiàn)路板混和布線(xiàn)時(shí)，模擬電路地回線(xiàn)、數字電路地回線(xiàn)以及電源電路回線(xiàn)為同一條回線(xiàn)時(shí)，將產(chǎn)生嚴重的共阻抗耦合，因為這些信號電流流經(jīng)公共地阻抗將產(chǎn)生一壓降，它可能高于模擬或數字電路的靈敏度，對模擬電路將降低輸出信噪比，而對數字電路將降低輸入靈敏度。
為抑制公共阻抗的影響，應將模擬和數字電源回線(xiàn)（零基準）分開(kāi)布線(xiàn)：
由圖9可見(jiàn)數字地和模擬地必須分開(kāi)，以降低公共阻抗引起的干擾。
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為減小回路的阻抗，對單面板應加寬地線(xiàn)的寬度；對低頻數字電路在信號輸出端串一小電阻以平滑脈沖上升和下降沿，對降低諧波干擾則十分有利。

在電源布線(xiàn)時(shí)，保證低阻抗尤為重要，應在電源輸入的連接器內將各類(lèi)電壓的電源線(xiàn)和地線(xiàn)分組，即先電源線(xiàn)、零基準線(xiàn)，再電源線(xiàn)、零基準線(xiàn)。絕不可以一端是電源線(xiàn)而另一端接地線(xiàn)，這會(huì )使高頻開(kāi)路，增大輻射回路的面積。

4．4 電路的去耦設計

電感和電容組成的低通濾波器，可濾掉高頻段干擾信號。由于導線(xiàn)寄生電感的影響，會(huì )使供電的速度變慢，使驅動(dòng)器件輸出電流下降，合理放置去耦電容的位置，在通斷電瞬間，利用電感和電容的儲能作用，給器件提供電流，通常電容應選值為4.7μF~30μF。選位在電源線(xiàn)進(jìn)入印制板處為佳。對集成電路耗電較大的器件，也應在電源進(jìn)腳處安裝合適電解電容。小電容能為集成電路塊提供高速電流，在器件輸出端電壓跳變時(shí)，其能高速充電，為器件提供充電電流。

通常是在每組電源和地引腳上都安裝一個(gè)合適容量的電容，以獲得最佳的干擾抑制作用。旁路電容的容量因其尺寸影響濾波頻率。選擇時(shí)應加以注意。例如，頻率越高，選擇的電容就越小。

5 電路布局、元器件安裝位置和合理布線(xiàn)

電路布局直接影響電磁干擾和抗擾度特性。從頻率而言是先高頻電路，再中頻電路，最后是低頻電路。而從邏輯速度而言，是先高速電路，再中速電路，而后是低速電路。如圖10所示：
除按工作頻率（或速度）進(jìn)行分組外，也可按器件的功能和類(lèi)型進(jìn)行分組，例如，既存在數字電路，又存在模擬電路的印制板，可按工作電壓和頻率分組布局，在給定電路系列或電源電壓時(shí)，可按功能對器件分組。

在器件布局完成后，須根據元器件組提供電壓的差別，將電源層布置在各組元器件的下面。如果有多層地，數字地層應緊貼靠數字電源層。模擬地層緊貼模擬電源層，而數字地和模擬地應有一個(gè)共地點(diǎn)，該共地點(diǎn)是在D/A或A/D變換器處，這些變換器同時(shí)由模擬和數字電源供電，因此，應將變換器置于模擬電路和數字電路之間，分別有各自的地回路，以防產(chǎn)生共阻抗干擾。

如模擬電路地和數字電路地是分開(kāi)的，二者的地也將在變換器處匯交。一組內的信號線(xiàn)不能跨越其外一組元件，如果跨越，信號就不能與其回路形成緊密耦合，導致較大的回路面積，使回路電感增大，電容減小，從而導致共模和差模發(fā)射干擾增大。
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6 多層印制電路板的設計

從單層到多層印制板的發(fā)展，不僅解決了元器件的布線(xiàn)擁擠問(wèn)題，也給電磁發(fā)射的降低帶來(lái)了很大的益處。

6．1 雙層板

對于數字電路，雙層板很難解決電源線(xiàn)地層阻抗小的問(wèn)題，雙層板一般的布局一層電源元器件走線(xiàn)層，一層是回流地層。當元器件較密集時(shí)很難實(shí)現，雙面均有地線(xiàn)，電源線(xiàn)，互連線(xiàn)，元器件。線(xiàn)地間距變大，故線(xiàn)路阻抗也較高，對控制阻抗不利。

6．2 四層電路板

6．2．1 印制板的外層均是地回流層，而中間為信號連線(xiàn)和電源層，其優(yōu)點(diǎn)是層間電容大，并起到一定的屏蔽作用。

6．2．2 印制板的外層是元器件、互連線(xiàn)層而內層是電源線(xiàn)層和地回路層，該方案微帶阻抗、電源路徑阻抗較高。因此，理論上電磁發(fā)射也較大。但實(shí)際用的較多。

雙層板和四層板，只適用于低中密度元器件的布局，如果元器件密度高，走線(xiàn)十分密集，應選擇六層以上的多層板。

6．3 六層電路板

外層均是信號互連線(xiàn)和元件層，靠近信號線(xiàn)和元器件層的內兩層是電線(xiàn)層，中間兩層是電源層和信號層。
當然還有其它布線(xiàn)方式，這里只介紹幾種較好的方式。

關(guān)于EMC元器件選型技巧電子元件技術(shù)網(wǎng)之前已經(jīng)有過(guò)介紹，這里就不贅述了，感興趣的朋友可以點(diǎn)擊EMC元器件的選擇和應用技巧進(jìn)行閱讀。

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