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[导读]电磁兼容(Electro - Magnetic Compatibility,简称EMC)是一门新兴综合性学科,它主要研究电磁干扰和抗干扰问题。

电磁兼容(Electro - Magnetic Compatibility,简称EMC)是一门新兴综合性学科,它主要研究电磁干扰和抗干扰问题。 电磁兼容性是指电子设备或系统在规定的电磁环境电平下,不因电磁干扰而降低性能指标,同时它们本身产生的电磁辐射不大于限定的极限电平,不影响其它系统的正常运行,并达到设备与设备、系统与系统之间互不干扰、共同可靠工作的目的。 电磁干扰( EM I)产生是由于电磁干扰源通过耦合路径将能量传递给敏感系统造成的,它包括由导线和公共地线的传导、通过空间辐射或近场耦合3种基本形式。 实践证明,即使电路原理图设计正确,印制电路板设计不当,也会对电子设备的可靠性产生不利影响,所以保证印制电路板电磁兼容性是整个系统设计的关键,本文主要讨论电磁兼容技术及其在多层印制线路板( Printed Circuit Board,简称PCB)设计中的应用。

PCB是电子产品中电路元件和器件的支撑件,它提供电路元件和器件之间的电气连接,是各种电子设备最基本的组成部分。 如今,大规模和超大规模集成电路已在电子设备中得到广泛应用,而且元器件在印刷电路板上的安装密度越来越高,信号的传输速度更是越来越快, 由此而引发的EMC问题也变得越来越突出。 PCB 有单面板(单层板) 、双面板(双层板)和多层板之分。 单面板和双面板一般用于低、中密度布线的电路和集成度较低的电路, 多层板使用高密度布线和集成度高的电路。 从电磁兼容的角度看单面板和双面板不适宜高速电路,单面、双面布线已满足不了高性能电路的要求,而多层布线电路的发展为解决以上问题提供了一种可能,并且其应用变得越来越广泛。

在PCB的EMC设计考虑中,首先涉及的便是层的设置;单板的层数由电源、地的层数和信号层数组成;在产品的EMC设计中,除了元器件的选择和电路设计之外,良好的PCB设计也是一个非常重要的因素。

PCB的EMC设计的关键,是尽可能减小回流面积,让回流路径按照我们设计的方向流动。而层的设计是PCB的基础,如何做好PCB层设计才能让PCB的EMC效果最优呢?

一、PCB层的设计思路

PCB叠层EMC规划与设计思路的核心就是合理规划信号回流路径,尽可能减小信号从单板镜像层的回流面积,使得磁通对消或最小化。

1、单板镜像层

镜像层是PCB内部临近信号层的一层完整的敷铜平面层(电源层、接地层),主要有以下作用:

降低回流噪声:镜像层可以为信号层回流提供低阻抗路径,尤其在电源分布系统中有大电流流动时,镜像层的作用更加明显。

降低EMI:镜像层的存在减少了信号和回流形成的闭合环的面积,降低了EMI;

降低串扰:有助于控制高速数字电路中信号走线之间的串扰问题,改变信号线距镜像层的高度,就可以控制信号线间串扰,高度越小,串扰越小;

阻抗控制,防止信号反射。

2、镜像层的选择

电源、地平面都能用作参考平面,且对内部走线有一定的屏蔽作用;

相对而言,电源平面具有较高的特性阻抗,与参考电平存在较大的电势差,同时电源平面上的高频干扰相对比较大;

从屏蔽的角度,地平面一般均作了接地的处理,并作为基准电平参考点,其屏蔽效果远远优于电源平面;

选择参考平面时,应优选地平面,次选电源平面。

二、磁通对消原理

根据麦克斯韦方程,分立的带电体或电流,它们之间的一切电的及磁的作用都是通过它们之间的中间区域传递的,不论中间区域是真空还是实体物质。在PCB中磁通总是在传输线中传播的,如果射频回流路径平行靠近其相应的信号路径,则回流路径上的磁通与信号路径上的磁通是方向相反的,这时它们相互叠加,则得到了通量对消的效果。

三、磁通对消的本质

磁通对消的本质,其实就是信号回流路径的控制,具体示意图如下:

四、如何用右手定则来解释信号层与地层相邻时磁通对消效果?

解释如下:

当导线上有电流流过时,导线周围便会产生磁场,磁场的方向以右手定则来确定。

当有两条彼此靠近且平行的导线,如下图所示,其中一个导体的电流向外流出,另一个导体的电流向内流入,如果流过这两根导线的电流分别是信号电流和它的回流电流,那么这两个电流是大小相等方向相反的,所以它们的磁场也是大小相等,而方向是相反的,因此能相互抵消。

PCB层设计具体原则:

(1)元件面、焊接面下面为完整的地平面(屏蔽);

(2)尽量避免两信号层直接相邻;

(3)所有信号层尽可能与地平面相邻;

(4)高频、高速、时钟等关键信号布线层要有一相邻地平面。

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