PCB电路设计中布线的EMC分析

第２１卷　第２４期　Ｖｏ１．２１　Ｎｏ．２４　电子设计工程　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１３年ｌ２月　Ｄｅｃ．２０１３　ＰＣＢ电路设计中布线的ＥＭＣ分析　刘丽艳　（第一研究所北京１０００４８）　摘要：ＰＣＢ电路设计在生产生活中至关重要．本文从电磁兼容这一问题出发，讨论ＰＣＢ电路设计，以及在设计ＰＣＢ　电路过程中存在的电磁干扰等问题。分析单线，多导体线和元器件的设置、路线，从而得出关于ＰＣＢ电路中布线的一　些设计规范和技能。如果将这些原则和规范使用于电路设计的最初环节．那么存在于布线中的电磁干扰问题就会被　ＰＣＢ电路设计师很快的解决。　关键词：ＰＣＢ：电路设计；ＥＭＣ；布线　中图分类号：ＴＮ７１０　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—６２３６（２０１３）２４—０１２１—０３　ＰＣＢ　ｗｉｒｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＥＭＣ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ＬＩＵ　Ｌｉ—ｙａｎ　（Ｔｈｅ　Ｆｉｒｓｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＴｈｅ　ｎ妇￡　ｏｆＰｕｂｌｉｃ　Ｓｅｃｕｄ￣ｏｆＰ．Ｒ．Ｃ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ＰＣＢ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｓ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｉｎ　ｌｉｆｅ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ　ｔｈｉｓ　ｐｒｏｂｌｅｍ，　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓ　ｔｈｅ　ＰＣＢ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ，ＰＣＢ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，　ｅｔｃ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｗｉｒｅ，ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｌｉｎｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｔ，ｒｏｕｔｅ，ａｎｄ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ　ａｂｏｕｔ　ＰＣＢ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗｉｉｎｇ　ｒｄｅｓｉｇｎ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｓｋｉｌｌｓ．Ｉｆ　ｔｈｅｓｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｌｉｎｋ　ｉｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ，　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｔｈａｔ　ｅｘｉｓｔ　ｉｎ　ａ　ｗｉｉｒｎｇ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ＰＣＢ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎｅｒｓ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｑｕｉｃｋｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＰＣＢ；ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ；ＥＭＣ；ｗｉｉｎｇ　ｒ所谓ＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｂｏａｒｄ），实际上就是印制线路　板，它是一种较为重要的电子产品，是电子元器件电气连接　的提供者，在电路元件与电器件之间的衔接上，起重大的作　用。是电子元器件的支撑体，对电路元件和器件起支撑作用。　抗干扰能力的强弱直接受印制线路板设计的优良影响。因　此，线路的设置安排和抗干扰能力是设计师在设计线路时必　须同时兼顾的。ＰＣＢ印制线路板根据电路层数可分为单面　板、双面板和多层板。常见的多层板一般为４层板或６层板，　复杂的多层板可达十几层。　尽管电子工程人员经过很多年的设计与实践．已经总结　图１　电磁干扰模型的组成　Ｆｉｇ．１　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｍｏｄｅｌ　出了一些规范和设计经验，但是截至目前，国家在这一方面　微处理器、微控制器、静电放电、传送器以及瞬时功率执　行元件都是常见的干扰源，在印制线路板中出现的频率较　高。时钟电路通常情况下在一个微控制系统里是最大的宽带　噪声发生器。　并没有明确的要求和规则。基于此，实践中我们只能在设计　电路过程中充分的运用设计原则和相关规则。进行整体规划　与设计，尤其是进行电路的抗干扰设计。做到以上这些，就能　有效避免电路设计实践中出现严重的电磁干扰问题．而且还　能有效的降低频率和节约设计成本费用，对于有效减少电气　电路设计时间具有非常重要的作用。　传导耦合和辐射耦合二者共同构成了耦合途径，在印制　线路板中发挥着重要作用。耦合途径不同，产生的干扰问题　也就自然不同。比如：１）互感在导线之中频频发生，同时电容　处于部分状态下时，也可能会大幅度上升；２）印制板导线串　ｌ　印制电路板中电磁环境的构成　电磁干扰源，耦合途径和接收器这３个部分组成一个简　单的电磁干扰模型。如图１所示。　收稿日期：２０１３—０７—２６　稿件编号：２０１３０７１９５　扰；３）高频信号经印制导线时所产生的高频电磁场；４）因时　钟信号而导致的电磁辐射干扰现象；５）反射干扰；６）因一系　列操作不当产生的干扰。总之，许多物件都有可能成为敏感　元件，包括电子元件和导线。要想整体把握板子的整体布局　作者简介：刘丽艳（１９５９～），女，北京人，工程师。研究方向：板级电磁兼容、高速电路设计。　－１２１－　《电子设计工程＞＞２０１３年第２４期　和元器件的位置就需要在布线上面下功夫，只有合理的布线　和达到电磁兼容性标准才是实现这一目的最佳途径。　Ｚｓ（　ＺＬ（源）　２印制线路板中单根走线　ＰＣＢ电路设计中，差分走线耦合较小，只占１０～２０％的耦　合度，更多的还是对地的耦合。当地平面发生不连续时。无参　考平面区域，差分走线耦合会提供回流通路。　ＰＣＢ布线中要求避免直角走线的出现。直角走线对信号　有着负面影响，因此ＰＣＢ中的走线一般采用具有４５度拐角　或圆弧拐角线。直角走线和非直角走线的差异主要有：１）拐角　能等效为传输线上得容性负载，减少上升的时间；２）拐角也　能抵御因不持续而造成的信号反射：３）电磁干扰会因直角尖　端产生。　不同的拐角线，角度上具有明显的差异性。图３运用了　ＦＤＴＤ数值方法进行试验．通过模拟对反射传输特性和反射　特性这二者进行对比。在４５度外斜切面拐角线反射性与传　输性能上，优于其他两种拐角线。这３种走线形式比圆弧的　拐角线要差，但是弧度的刻划成本比较高。这是因为圆弧的　刻划要求精湛的制版技术。精湛的技术必然会引起成本的增　加，因此通常在选择走线时，会将目光停留在４５度外斜切面　拐角线上。　图２　３种不同走线形式的Ｓ参数比较示意图　Ｆｉｇ．２　Ｔｒａｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｆｏｒｍｓ　ｏｆ　Ｓ－ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　３对多导体传输线在应用中的串扰探析　传送信号和机器的运作频率在ＰＣＢ电路设计中要注意　适度原则，如果达到兆赫级．那么对线路的干扰就很严重。走　线间的干扰形成的主要原因是串扰问题。ＰＣＢ电气电路设计　过程中，应当适当地留意一下串扰问题，尽可能地减少布线　串扰问题出现。实践中可以看到。若发生串扰现象，通常至少　会有３个导体和两个线携带信号。如图４所示。而第３条导　线只是作为一种参考而言。　实践中可以看到，源和受干扰电路之间的作用，通常会　产生一种ＶＳ，该作用下的ｚｓ、ｚＬ会产生感应电压和电流，其　ｚｓ和源相互联系，而ｚＬ主要与负载端相互联系。　一】２２－　图３串扰电路　Ｆｉｇ．３　Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ　ｃｉｒｃｕｉｔ　为减少干扰现象的出现．笔者特提出以下建议和设计规　划：１）以功能作为主要依据的逻辑器件，对总线结构进行控　制；２）元件物理距离最小化；３）布线走线长度应严格控制；４）　元件既要与Ｉ／ｏ接口远离，又要尽可能地避开数据干扰：５）确　保阻抗受控走线路径的准确性，通常频波能量较大一些的走　线应当注意考虑；６）提供一些相交性的走线，以确保走线之　间有适当的距离，确保电感耦合最小化；７）紧挨着的布线层　应当垂直，这样可以减小层间电容耦合；８）加强信号与地面　之间的间隔和距离控制：９）布线层要单独隔开，必须以相同　轴线布线，确保布线层分置预实心平面结构之中。　４印制线路板内部元器件的走线分布　通常情况下，功能单元与设备满足电磁兼容性要求，主　要是由电路的基本元件满足电磁特性的程度决定。　选择电磁元件时，电磁特性和电路装配是必须考虑的两　个因素，否则选出的电磁元件是劣质的。这主要是因为远离　基频的元件响应特性决定了电磁兼容性是否实现。大多情况　下，对外响应（比如引线的长度）和元件之间耦合的程度由电　路装配决定。需要注意以下几点。　ＰＣＢ大小是首先要考虑到的一个因素。ＰＣＢ尺寸要适　中，过大过小都不合要求。如果太过，则印制时需有很多的线　条，以此来增加阻抗、下挫抗噪声性能，然其成本会随之增　加；如果太小，则缺乏散热能力，受干扰对象便会扩展至相邻　的线条。基于此，在确定特殊元件的位置之前，应当充分地测　量ＰＣＢ实际规格和尺寸：以电路功能为基础．对电路中的所　有元器件统一的规划和调整。实际操作过程中，为了能够最　大限度的降低高频元器件线路耗损、降低参数分布复杂性，　避免电磁干扰．就要想尽办法隔开．让输入和输出元件之间　存在距离。缩小元器件或导线之间的较高的电位差，避免因　放电而造成短路问题。电路调试过程中，若元器件带有高电　压．则应当尽可能置于不容易碰到的位置　同时还要注意用支架对其进行有效的固定，若焊接１５９　以上的元器件。则体型相对较大、较沉重的发热元器件就不　能适应印制板，应该被淘汰。这种元器件应该被配置在机箱　的底板上。在安装的同时应该将散热问题考虑在内。热敏元　件不能靠近发热元件。　整机的结构要求应首先被考虑。特别是在布局可调节的　元件时，比如电位器，开关等。如果是机内调节的情况，那么　应被安置在便于调节的区域，比如印制板的上面；如果是机　外调节，则需考虑调节旋钮。　刘丽艳ＰＣＢ电路设计中布线的ＥＭＣ分析　乎是一项非常艰巨的工程，然ＩＢＩＳ、ＳＰＩＣＥ的出现，对ＥＭＣ问　题分析而言，起到了非常大的促进作用。　印制板定位孔和固定支架需要的区域首先要腾出。对电　路的全部元器件进行分布设置时，要依据其功能单元，因此，　要做到以下几点：１）为了使信号更加流通，要考虑电路的流　程，每个功能电路单元要被放置在合理的区域内，这样也能　使信号最大限度在统一的方向上；２）在进行布局时，要紧紧　围绕各个功能电路的核心元件这一核心。元器件在排列时，　应注意匀称、不杂乱、紧密这些原则。连接各元器件之间所用　的导线要尽量减少：３）电路在高负荷状态下运行时，需考虑　实际分布状况。最大限度地使元器件平行分布于电路之中。　平行分布可以使外表状况看上去更好看，方便装焊，对大量　６结束语　总而言之，在ＰＣＢ实际设计过程中，一定要严格按照相　关设计规范进行，要符合抗干扰设计之原则和要求，只有这　样才能使电子电路处于最佳的性能状态。ＰＣＢ设计初期阶　段，需要对布线中的问题进行全面的考虑，这样才能有效减　少设计周期，提高设计质量。　参考文献：　的生产也有很大帮助；４）处于电路板边缘的元器件，其位置　与电路板中心距离不可超过２毫米；对于电路板而言，建议　设计成矩形。长是宽的１．５倍，或是１－３倍。　【１】李少华，任尚宗．ＰＣＢ电路中信号完整性分析与ＥＭＣ４＃真　技术［ＪＪ．信息通信，２０１２（２）：４２—４４．　ＬＩ　Ｓｈａｏ—ｈｕａ，ＲＥＮ　Ｓｈａｎｇ—ｚｏｎｇ．ＰＣＢ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　５常用的ＥＭＣ设计软件　ＰＣＢ板与外部的接口处的电磁辐射是分析时需要考虑　的因素。此外，还要考虑ＰＣＢ板中电源层的电磁辐射以及大　功率布线网络的辐射问题。现在，在设计ＥＭＣ软件时已经大　量的应用了板级与系统级互连仿真，这两者主要是建立在　Ｃａｄｅｎｃｅ公司的技术上的。同时，ＳＩ／ＰＩ／ＥＭＩ的模拟分析也被　应用于其中。　德国的ＩＮＣＡＳＥＳ公司发明了ＥＭＣ—ＷＯＲＫＢＥＮＣＨ，这一　ａｎｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＥＭＣ［Ｊ］．Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ＆　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１２（２）：４２—４４．　【２】荆立志．电子电路设计中ＥＭＣ／ＥＭＩ￣模拟仿真［Ｊ］．国外电　子测量技术，１９９９（１）：３５—３６．　ＪＩＮＧ　Ｌｉ．ｚｈｉ．ｄｅｓｉｇｎ　ＥＭＣ，ＥＭＩ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃｉｒｃｕｉｔ［Ｊ］．Ｆｏｒｅｔｇｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｇ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９９　（１）：３５—３６．　［３】周力，路宏敏，夏昌明．ＰＣＢ电路设计中布线的ＥＭＣ分析［Ｊ］．　电子质量．２００３（１０）：２６—２７．　ＺＨＯＵ　Ｌｉ，ＬＵ　Ｈｏｎｇ－ｍｉｎ，ＸＩＡ　Ｃｈａｎｇ—ｍｉｎｇ．ＰＣＢ　ｃｉｒｃｕｉｔ　软件在ＥＭＣ模拟仿真分析有着重要的推动力。因此，　ＩＮＣＡＳＥＳ公司成为行业的领军者，为ＥＭＣ的进展做出重大　ｄｅｓｉｇｎ　ｌａｙｏｕｔ　ＥＭＣ　ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｑｕａｌｉ￣，２００３（１Ｏ）：　２６—２７．　贡献。ＥＭＣ—ＷＯＲＫＢＥＮＣＨ为设计者提供帮助，特别是在电磁　兼容这一技术难点上。同时使得设计过程发生改变，减少了　【４］陈宁，蒋晓燕．ＰＣＢｋ＆中时钟电ｒＣｒ￣ＥＭＣ问题探ｅＬ［Ｊ］．电子　制作．２０１３（６）：１２－１３．　ＣＨＥＮ　Ｎｉｎｇ，ＪＩＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｙａｎ．ＰＣＢ　ｂｏａｒｄ　ｃｌｏｃｋ　ｃｉｒｃｕｉｔ　工作量，删去了一些设计程序。由于ＥＭＣ模拟仿真技术的应　用，因此促使ＰＣＢ设计快步进入到一个崭新的时代，尤其是　电子工程人员利用该技术可实现短期的高质量、高可靠性设　计。在实施ＥＭＣ模拟仿真分析过程中，必然给电路设计、ＰＣＢ　制造行业的发展带来更大的机会和更为广泛的发展空间。实　践中可以看到．一块电路板可能来自于很多个生产厂家，而　且他们的功能性存在着较大的差异，设计人员在对ＥＭＣ进　行分析时，需全面了解元器件的自身特点．让后方可对其进　行具体的模拟仿真操作。该项操作若以传统的视角来看．似　（上接第１２０页）　ｅｘｐｌｏｒｅ　ＥＭＣ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ［Ｊ］．Ｐｒａｃｔｉｃａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１３（６）：　１２－１３．　［５】张玉民．ＰＣＢ中防止共阻抗干扰的地线设计［Ｊ］．北京工业　职业技术学院学报，２００６（２）：８８—９２．　ＺＨＡＮＧ　Ｙｕ—ｍｉｎ．ＰＣＢ　ｔｏ　ｐｒｅｖｅｎｔ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｍａｌ　ｏｆ　Ｂｅｒｉｎｇ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　ＣｏＨｅｇｅ，　２００６（２）：８８—９２．　ＧＥ　Ｘｉａｏ—ｒｏｎｇ．Ｐａｒａｌｌｅｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ＭＯＳＦＥＴ［Ｊ］．　Ｐｏｗｅｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２０１０，２０（５）：９１－９３．　学报，２００９，４１（７）：１４１－１４３３．　ＴＡＮＧ　Ｓｈｉ－ｙｕｅ．Ｃｏｍｍｏｎ　ｍｏｄｅ　ｉｎｄｕｃｔｏｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ＰＣＢ［Ｊ］．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９，４１（７）：１４１～　１４３３．　【４】ＳＥＯ　Ｊ　Ｈ，Ｃｈｏｉ　Ｃ　Ｈ，Ｈｙｕｎ　Ｄ　Ｓ．Ａ　ｎｅｗ　ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ＰＷＭ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｈｒｅｅ　ｌｅｖｅｌ　ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ『Ｊ１．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００８，１６（４）：５４５—５５０．　【６】Ｒａｓｈｉｄ　Ｈ　Ｍ．Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ：Ｄｅｖｉｃｅ，Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ，２００９．　【５】唐世悦．ＰＣＢ＿ｋ－．走线共模电感的研究［Ｊ】．哈尔滨工业大学　—．１２３－