中心論題：
- 如何抑制電源布線產(chǎn)生的電磁干擾
- 如何抑制信號(hào)布線產(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法抑制電源布線電磁干擾
- 增大信號(hào)線之間的距離，減小信號(hào)線與地之間的距離抑制信號(hào)布線電磁干擾
- 設(shè)計(jì)印制電路板應(yīng)遵循一定原則來抵抗電磁干擾
印制電路板是電子線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。隨著電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，電子系統(tǒng)特別是高頻電路中邏輯和系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的迅速提高和信號(hào)邊沿不斷變得陡峭，由此產(chǎn)生的電磁干擾(通常稱為噪聲)越來越突出，抗干擾問題越來越引起人們的重視。而抑制電磁干擾應(yīng)從電子產(chǎn)品制作的初級(jí)階段開始，從印制電路板的布線制作著手。印制電路板的布線設(shè)計(jì)，既要考慮減少電子系統(tǒng)的電磁干擾，又要做到提高電子系統(tǒng)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設(shè)計(jì)中電源布線和信號(hào)布線的電磁干擾問題。若兩種布線設(shè)計(jì)不好，電磁干擾將直接影響著自身或別的電子設(shè)備或系統(tǒng)的工作性能，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使人們的生命財(cái)產(chǎn)受到威脅。
電源布線產(chǎn)生的電磁干擾及干擾的抑制
a.電源布線產(chǎn)生的電磁干擾
電源布線會(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(zhǔn)確的電壓。而電源所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載常具有瞬態(tài)變化的特性，受分布阻抗的影響，負(fù)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(fù)載端接上一個(gè)瞬態(tài)變化的信號(hào)源。特別是在高頻，有的器件工作在數(shù)字開關(guān)狀態(tài)，這一現(xiàn)象更為突出。這樣電源布線既含有直流電壓，又含有瞬態(tài)變化的電壓(稱為寄生電壓)，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源[2]81-82。在高頻時(shí)，電源布線可被看成傳輸線[3]41，電源布線某點(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(wěn)定工作。
目前在電子、電器、信息領(lǐng)域應(yīng)用較多的開關(guān)電源具有節(jié)能和高效的優(yōu)勢(shì)，開關(guān)電源向著高頻化、小型化發(fā)展，應(yīng)用日趨廣泛。但開關(guān)電源中功率管在高壓下以高頻開關(guān)方式工作。高頻開關(guān)和電流接近方波，這些方波信號(hào)中含有豐富的高次諧波噪聲。開關(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，容易通過直流輸出線向外輻射電磁干擾。
電源布線同時(shí)也是電磁干擾的接收器，外來的干擾噪聲也會(huì)耦合到電源布線中，通過傳導(dǎo)，傳給所連接的電子器件。
b.電源布線的防干擾措施
電源布線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，通過印制電路板上的過孔將電源電壓引到器件上。這種做法使電源布線分布阻抗非常小，電路壓降小，器件上能得到穩(wěn)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。但這種布線成本高，多用在高速系統(tǒng)中，若需幾種電壓，將需增加平面層數(shù)，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，高頻布線設(shè)計(jì)中，電流的返回路徑對(duì)系統(tǒng)的影響比較大，由于是平面地，電源及所有信號(hào)(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(wěn)定的電源電壓。同時(shí)，所有的電源去線與信號(hào)線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.電源母線法
這種布線設(shè)計(jì)可分別提供幾種電壓。布線的條數(shù)由器件的多少而定。這種布線比上述兩種布線方法抗電磁干擾能力稍差，但成本小。這種布線要達(dá)到以下要求：
(1)布線要寬。
(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(dāng)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(dāng)于噪聲濾波器，能濾掉高頻諧波噪聲[1]89-91。
(3)地線環(huán)繞，作為母線中的地線可以不等寬，但寬窄過渡要平滑，以避免產(chǎn)生噪聲，地線要靠近供電電源母線和信號(hào)線，因電流沿路徑傳輸會(huì)產(chǎn)生回路電感[2]92，地線靠近，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(hào)布線產(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(hào)布線和電源布線[1]2，前兩種可采用屏蔽的方法以防止電磁干擾的輻射(對(duì)要求實(shí)現(xiàn)向外輻射電磁能量功能的電子產(chǎn)品除外)和吸收。
布線設(shè)計(jì)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(hào)布線同樣有分布電感、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(shù)，這些分布參數(shù)隨信號(hào)頻率的增加而增大。
只要兩條線有電位差，兩條線間就會(huì)存在電場(chǎng)。假設(shè)三條導(dǎo)線，A、B分別為信號(hào)線，D為地線，CAD為A的分布電容，若A的電位比B的高，B處在A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：一是要增大兩布線導(dǎo)線間的距離(大于干擾信號(hào)最大波長(zhǎng)的四分之一)[2]9，二是要減小信號(hào)線與地之間的距離。
若A、B兩導(dǎo)線靠近，當(dāng)導(dǎo)線A中有電流時(shí)，它的周圍就存在著磁場(chǎng)，磁感線就會(huì)有一部分環(huán)繞到導(dǎo)體B組成的回路中，B回路就被感應(yīng)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(dǎo)線中的電流發(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(hào)線與信號(hào)線之間的距離，以減小互感，原因是互感系數(shù)與距離成反比[4]224。二是減小信號(hào)線與地之間的距離，以減小信號(hào)線與地之間圍成的磁通面積。減小線地距離外，還應(yīng)盡量避免信號(hào)線的平行布設(shè)。
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(yīng)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(shù)字電路與模擬電路，高頻與低頻)分開設(shè)置，布線圖形應(yīng)易于信號(hào)流通且使信號(hào)流向盡可能保持一致。
- 印制導(dǎo)線盡可能短而寬。它的最小寬度應(yīng)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、高精度的印制線路中，導(dǎo)線寬度和間距一般可取0.3 mm，地線寬度最小為2 mm。印制導(dǎo)線的拐彎應(yīng)成圓角，各層電路板的導(dǎo)線應(yīng)相互垂直，斜交(或彎曲走線)，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(yīng)大于信號(hào)波長(zhǎng)的四分之一，輸入器件與輸出器件盡量遠(yuǎn)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導(dǎo)線時(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(duì)復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來很麻煩。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(duì)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(fù)雜的電子系統(tǒng)會(huì)存在電源地、信號(hào)地和屏蔽地，應(yīng)把它們接到公共的地線上。
