PCB设计与电磁兼容性

PCB是电子产品中电路元器件的支撑件，它提供电路元器件之间的电气连接，它是各种电子设备最基本的组成部分，它的性能直接关系到电子设备质量的好坏。随着信息化社会的发展，各种电子产品经常在一起工作，它们之间的干扰越来越严重，所以，电磁兼容问题也就成为一个电子系统能否正常工作的关键。同样，随着电子技术的发展，PCB的密度越来越高，PCB设计得好坏对电路的干扰及抗干扰能力影响很大。要使电子电路获得最佳性能，除了元器件的选择和电路设计之外，良好的PCB布线在EMC中也是一个非常重要的因素。

在PCB设计中，元件的选择和电路设计是影响板级EMC的主要因素。每一种电子元件都有它各自的特性。因此，在EMC设计时，要仔细考虑PCB的元件选择和布局布线。下面简单介绍PCB设计中的基本元件。

1.导线和PCB走线

导线（Wire）、走线（Trace）、固定架等看似不起眼的组件，却经常成为射频能量的最佳发射器（EMI的来源）。每一种组件都具有电感，这包含硅芯片的焊接引脚，以及电阻、电容、电感的引脚。每根导线或走线都包含隐藏的寄生电容和电感。这些寄生性组件会影响导线的阻抗大小，而且对频率很敏感。根据LC的值（决定谐振频率）和PCB走线的长度，在某组件和PCB走线之间可以产生谐振，因此就形成了一根有效的辐射天线。

在低频时，导线只具有电阻的特性；但在高频时，导线就具有电感的特性。因为变成高频后，会造成阻抗大小的变化，从而改变导线或PCB走线与接地之间的EMC性能，这时就必须使用接地平面（Ground Plane）和接地网格（Ground Grid）。

一般而言，在音频以上工作的导线或走线应该视为电感，不能再看成电阻，而且可以成为射频天线。

大多数天线的长度等于某一特定频率的λ/4或λ/2（λ为波长）。因此在EMC的规范中，不允许导线或走线在某一特定频率的λ/20以下工作，因为这会使它突然变成一根高效能的天线。电感和电容会造成电路谐振，此现象不会出现在它们的说明书中。

2.电阻

电阻是在PCB上最常见到的元件。电阻的材质（合成碳、碳膜、云母等）限制了频率响应的作用和EMC的效果。绕线型电阻并不适合于高频应用，因为在导线内存在过多的电感。碳膜电阻虽然包含电感，但有时适合于高频应用，因为它引脚的电感值并不大。

一般经常忽略的是电阻的封装大小和寄生电容。寄生电容存在于电阻的两个终端之间，它们在非常高的频率时，会对正常的电路特性造成破坏，尤其是频率达到GHz时。不过，对于大多数的应用电路而言，在电阻引脚之间的寄生电容不会比引脚电感更重要。

当电阻承受超高电压极限考验时，必须注意电阻的变化。如果在电阻上发生了静电放电（ESD）现象，则会发生应该关注的情况。如果电阻是表面贴装（Surface Mount）组件，则此电阻很可能会被电弧击穿。如果电阻具有引脚，则ESD会发现此电阻的高电阻（和高电感）路径，并避免进入被此电阻所保护的电路。其实，真正的保护是来自电阻所隐藏的电感和电容特性。

3.电容

电容一般是应用在电源总线，提供去耦合（Decouple）、旁路（Bypass）、维持固定的直流电压和电流的功能。真正单纯的电容会维持它的电容值，直到达到谐振频率。超过此谐振频率，电容特性会变成像电感一样。这可以由公式：X_C=1/2（πfC）来说明，X_C是容抗（单位是Ω）。例如，10μF的电解电容，在10kHz时，容抗是1.6Ω；在100MHz时，容抗降到160μΩ。因此在100MHz时，存在短路效应，这对EMC而言是很理想的。但是，电解电容的电气参数——等效串联电感（Equivalent Series Inductance，ESI）和等效串联电阻（Equivalent Series Resistance，ESR）将会限制此电容只能在1MHz频率以下工作。

电容的使用也和引脚电感与体积结构有关，这些因素决定了寄生电感的大小。寄生电感存在于电容的焊接引线之间，它们使电容在超过谐振频率以上时，产生和电感一样的行为，电容因此失去了原先设定的功能。(www.xing528.com)

4.电感

电感用来控制PCB内的EMI。对电感而言，它的感抗是和频率成正比的。这可以由公式：X_L=2πfL来说明，X_L是感抗（单位是Ω）。例如，一个理想的10mH电感，在10kHz时，感抗是628Ω；在100MHz时，感抗增加到6.2MΩ。因此在100MHz时，此电感可以视为开路。在100MHz时，如果让一个信号通过此电感，将会造成此信号的品质下降（从时域来观察）。和电容一样，此电感的电气参数（线圈之间的寄生电容）限制了此电感只能在1MHz频率以下工作。

问题是，在高频时，若不能使用电感，那要使用什么元件呢？可以使用铁氧体磁珠（Ferrite Bead）。铁磁材料是铁镁或铁镍合金，这些材料具有高磁导率，在高频和高阻抗下，电感内线圈之间的电容值会很小。铁氧体磁珠通常只适用于高频电路，因为在低频时，它们基本上保有电感的完整特性（包含电阻和抗性分量），因此会造成线路上的一些损失。在高频时，它基本上只具有抗性分量（jωL），并且抗性分量会随着频率的上升而增加。实际上，铁氧体磁珠是射频能量的高频衰减器。

其实，可以将铁氧体磁珠看作一个电阻并联一个电感。在低频时，电阻被电感短路，电流流往电感；在高频时，电感的高感抗迫使电流流向电阻。

本质上，铁氧体磁珠是一种耗散装置（Dissipative Device），它会将高频能量转换成热能。因此，从其功效上看，它只能被当成电阻来解释，而不是电感。

5.变压器

变压器通常存在于电源供应器中，此外，它可以对数据信号、I/O连接、供电接口用作隔离。根据变压器种类和应用的不同，在一次（Primary）和二次（Secondary）绕组之间可以有屏蔽（Shielding）存在。此屏蔽连接到一个接地的参考源，是用来防止此两组绕组之间的电容耦合。

变压器也广泛地用来提供共模（Common Mode，CM）隔离。这些装置根据通过其输入端的差模（Differential Mode，DM）信号，将一次绕组和二次绕组产生磁性连接，以传递能量。通过一次绕组的CM电压会被排斥，因此达到共模隔离的目的。不过，在制造变压器时，在一次和二次绕组之间会存在信号源电容。当电路频率增加时，电容耦合能力也会增强，因此破坏了电路的隔离效果。如果存在足够的寄生电容，则高频的射频能量（来自信号快速边沿跳变、ESD、雷电等）可能会通过变压器，导致在隔离层另一端的电路也会接收到此瞬间变化的高电压或高电流。

6.PCB元件布局与电磁兼容

首先，要考虑PCB的尺寸大小。PCB尺寸过大时，PCB走线长，阻抗会增加，因此抗干扰能力下降，成本也增加；尺寸过小，则散热不好，且邻近走线易受干扰。在确定PCB尺寸后，再确定特殊元件（如时钟元件）的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。

在电子设备中，数字电路、模拟电路以及电源电路的元件布局和布线其特点各不相同，它们产生的干扰以及抑制干扰的方法也不相同。此外，高频、低频电路由于频率不同，其干扰以及抑制干扰的方法也不相同。所以在元件布局时，应该将数字电路、模拟电路以及电源电路分别放置，将高频电路与低频电路分开。有条件的应使它们各自隔离或单独做成一块电路板。此外，布局中还应特别注意强、弱信号的元件分布以及信号传输方向和途径等问题。

在元件布局方面，应把相关的元件尽量放得靠近些，这样可以获得较好的抗干扰效果。元件在PCB上的排列位置要充分考虑抗干扰问题。