關于PCB電磁兼容的設計技巧

近年來，隨著電子技術的發展，PCB板上器件密度和布線密度不斷增加，印制電路板的電磁兼容問題變得日益突出。如今，設計師們在設計印制電路板時，必須考慮電磁兼容問題，以確保設計功能的實現。在高頻時，簡單的電路模擬可能不再適用，而需要用傳輸線理論或微波理論來分析遇到的問題。
　　在電磁兼容層面分析印制電路板，要考慮三個基本問題：保證信號在板上可靠地傳輸，確保信號的完整性；抑制電磁干擾ＥＭＩ的傳播；加強防護，防止因為抗擾度不足引起靈敏度故障。
　　對于相對低頻的信號（信號的頻譜上限為100MHz），通常可以不考慮上述的問題。但是當信號波長（λ）與信號線長度（ｌ）可相互比擬時（ｌ≥0.１λ），就需要考慮印制線的幾何尺寸、布線、線間間隔以及傳輸信號的上升、下降時間，脈沖寬度與周期等因素，以致需要用傳輸線理論(在某些場合需要用微波理論）來正確地分析信號的傳播。
　　一、確保信號完整性
　　ＰＣＢ上的信號完整性問題主要包括時延、阻抗不匹配、地彈跳（Ground Bounce)、串音等。信號完整性問題會影響電子器件的穩定工作。
　　(１)信號時延：對于高頻信號，傳輸時延應該是電路設計者考慮的最基本的問題之一。傳輸時延與信號線的長度、信號傳輸速度的關系如下：
　　式中：ｃ-真空中的光速；
　　εreff有效的相對電導率；
　　ｌｐ-信號線的長度。
　　εreff與傳輸線周圍介質有關，對于微帶傳輸線來說，ε介于板的相對電導率與空氣相對電導率之間。在大多數系統中，信號傳輸線長度是影響時鐘脈沖相位差(colock skew)的最直接因素。時鐘脈沖相位差是指同時產生的兩個時鐘信號，到達接收端的時間不同步。時鐘脈沖相位差降低了信號沿到達的可預測性，如果時鐘脈沖相位差太大，會在接收端產生錯誤的信號。傳輸線時延已經成為時鐘脈沖周期（Clock Cycle）中的重要部分。
　　(２)阻抗不匹配：阻抗不匹配可以由驅動源，傳輸線和負載的阻抗不同引起，也可由傳輸線的不連續?例如導通孔、短截線　引起，另外由于返回路徑上局部電感、電容的變化，返回路徑不連續也會導致阻抗不連續。這種阻抗的不匹配，會導致反射和阻尼振蕩。反射會引起信號的振鈴ringring現象，即在穩態信號上下產生的電壓過沖和下沖現象，如圖２所示。為了將電壓的過沖／下沖限制在合理的范圍內(不超出穩態值的ｌ０％～１５％)，應該遵循下面這樣一個原則：信號的上升時間要小于信號在印制導線上來回引起的傳輸時延。即： ｔr≤２ｌp／ｔppd
　　式中：ｔr-指信號的上升時間；
　　ｌp-信號線的長度；
　　ｔppd-信號線單位長度引起的延時。
　　振鈴現象可能會導致誤觸發，為了消除振鈴現象的影響，方法之一就是等待信號穩定下來，但這又會減小系統最大可能的時鐘速率。
　　(３)地彈跳（Gound Bounce）：所謂地彈跳，是指在某一集成電路開關時，由于ＰＣＢ的地線以及集成電路的接地引線具有一定的電感，相應會引起器件內部地電位短暫的沖擊或下降。而來自其它器件的輸入驅動信號，或者由此器件輸出信號所驅動的其他器件，都是以外部系統地為參考的。這種參考地電位的不一致，可能會導致器件的輸入門檻或輸出電平的改變，從而給高速ＰＣＢ的設計帶來問題。對于電源來說，也存在類似的問題。
　　(４)串音：通常可分為兩部分，即公共阻抗耦合和電磁場耦合。公共阻抗耦合是因為不同信號共用公共返回路徑引起的，這種耦合通常在低頻時起決定作用。電磁場耦合又可分為電感耦合與電容耦合。串音屬于近場問題，在ＰＣＢ０上，串音與線的長度、線的間距、線中傳輸信號的方向以及參考地平面的狀況有關。例如地平面上的裂縫（Split）會使跨越裂縫的鄰近線路的串音增加，引起信號波形畸變。
　　二、減小傳導發射和輻射發射
　　電磁干擾問題主要包括傳導發射和輻射發射問題。電磁兼容中所謂的發射，是指“從源向外發出電磁能的現象”，與一般通信領域中人為的向外發射電磁波不同，ＰＣＢ中的發射常常是無意的。輻射發射標準通常覆蓋３０ＭＨｚ～１ＧＨｚ的范圍，在不久的將來將擴展至５～４０ＧＨｚ。對于傳導發射，ＦＣＣ將范圍限
　　制在０．４５～３０ＭＨｚ，而ＣＩＳＰＲ將下限延伸０．１５ＭＨｚ。濾波是抑制傳導發射的一種重要方法。對離開ＰＣＢ板的信號線進行濾波，可以抑制傳導發射的傳播。
　　高頻時，ＰＣＢ上的印制線就像一個單極天線（mono-pole Antennas）或環形天線（Loop Antennas），向外輻射能量。輻射發射可以分為兩種基本類型：差模輻射和共模輻射。
　　差模輻射是由于閉合環路中的電流?即所謂的差模電流　引起的。輻射的強度與環的面積、電流的大小及頻率的平方成正比。通過減小上述因素，尤其是頻率，可以減小輻射的強度。另外，環的輻射具有方向性，一個小電流環的電場輻射值在環所處的平面上最大，而在環的軸向上最小。
　　共模輻射是由寄生效應，例如地線層、電源層或電纜上的感應電流?所謂的共模電流　引起的。共模輻射與一個單極天線類似，輻射的強度與單位線長中的電流及頻率有關，但對方向不敏感。
　　由于差模電流產生的輻射是相減的，而共模電流產生的輻射是相加的，所以即使共模電流比差模電流小的多，也會產生程度相當的輻射場。例如，長為ｌｍ的電纜，其中間距為１．２７ｍｍ的兩導線中流有３０ＭＨｚ、２０ｍＡ的差模電流，會在３ｍ外產生１００μＶ／ｍ輻射電場，而對共模電流來說，只需要８μＡ的電流就能產生同樣程度的輻射。在進行遠場分析時，必須考慮共模輻射。
　　三、加強防護，防止因為抗擾度不足引起靈敏度故障
　　防護的強度，隨產品的用途而定。對于無關緊要的電子產品，就不需要專門的防護。而對于軍用的電子產品及用于電廠與電網控制的電子設備，就需要加以最高等級的防護，因為即使是在極端情況下，也要保證這些設備能正常工作。