印制电路板设计的电磁兼容性分析

朱增辉 代相龙



印制电路板设计的电磁兼容性分析

朱增辉 代相龙

黔南民族师范学院物理与电子实验中心，贵州 都匀 558000

在电子电路中，印制电路板是非常重要的组成部分。所有的电子元件在印制电路板中都会形成非常大的电磁干扰，让电子设备无法正常工作，严重的还会导致设备被破坏。所以，在设计电子电路的过程中，一定要重视电磁兼容性问题。融合DSP在逆变器控制系统中的运用，并结合布局、接地等情况具体研究了印制电路板的电磁兼容性方面的问题。

印制电路板；电磁干扰；电磁兼容性

电子技术的全面提升，让数字信号处理器技术得到了普遍的使用，并对工业、医疗等领域起到了非常好的效果。例如，LCL型并网逆变器控制框当中，虚线框里的控制法都是通过数字信号处理器来实现的。通常情况下，系统会把采样信号进行A/D转化，然后传输进数字信号处理器里，信号处理器会根据控制算法来计算，随后再传输PWM信号。此信号要进行隔离放大，然后将其当作开关管的驱动信号，以此掌控开关管的开闭。由此能够看出，信号处理器在控制系统中的作用非常关键，所以怎样让信号处理器的控制电路具有高性能就成为相关工作者重要的研究工作。我们通过TMS32F28xxx，来具体分析印刷电路板里的电磁兼容性问题。

1 电磁兼容性问题

1.1 布局

印刷电路板的电磁兼容性方面的问题，首先要考虑的是如何对层进行安排。通常，单板中的层主要由电源、信号层构成，同时它们所处的方位还会决定单板的电磁兼容性。

通过实际的单板电源、信号密码等信号数量，并融合单板的整体性能，来确立单板层数。在数字信号处理器的控制电路里，具有下面的多路电源：+15V-A、+15V-P、EX5V、VDD1.8等。在这些多路电源中，+15V-A能够调理电路供电，EX5V能够进行通信电路供电、VDD1.8能够进行内核供电。与此同时，还具有很多的多种地，其中主要包括DGND、PGND、EXGND。DGND代表的是数字地、PGND代表的是保护电路地、EXGND代表的则是通信电路地[1]。

如果想防止电源信号出现交错的情况，同时保证地面具有完整度，那么最好使用四层板结构。其中顶层属于信号层，中间层由地平面以及电源平面组成。地平面和电源间的芯板不能太厚，可以采用分布电容的方式来达到去耦的目的。

在信号处理器的控制电路里，要根据所有电路模块的各种功能划分电路。电路主要分为电源电路、A/D电路、调理电路、通信电路等。在设计印制电路板的过程中，要通过信号流向的实际情况，划分电路的模块，尽量让布线路径短一些，而且所有模块之间不要出现交错的情况，降低各种模块的互相干扰的程度。

信号频率可以分成高频和低频两种电路。通常情况下，高频电路走线会短一些，能够避开敏感电路。

电路布局要根据信号流向，尽量让主要的高速信号走线短一些，也要让电路板齐整些。时钟信号要尽可能地短。还要屏蔽掉那些较为敏感的信号线。

1.2 接地

在设计印制电路板时，如果要降低受到干扰的程度，那么就要采用接地措施。这样不仅能够给信号电压带来平稳的零电位参考点，而且能够具有屏蔽效果。接地主要分为单点和多点两种方式。其中，单点接地在系统里，仅一个物理点被视作接地参考点，其余的则要把全部的接地点都集中到一个点。信号工作频率不大于1 MHz的低频电路，不会对布线的电感造成影响。不过接地电路构成的环流会形成一定的干扰，因此最好使用单点接地的形式。如果信号工作频率较强，导致工作波长和接地引线的长度不能比拟的话，就不适合采用单点接地的形式。这种情况下，最好采用多点接地。

多点接地是电路里所有接地点都和附近的接地平面衔接，从而使接地引线最短。如果信号工作频率是不小于10 MHz的低频电路，那么地线阻抗就会变得很大。这个时候就要尽可能地让地线阻抗下降，然后运用多点接地的形式。如果是高低频混合电路，就要运用混合接地的形式。

在数字信号处理器控制电路里，数字和模拟这两种信号类型能够同时存在。如果想减轻这两种信号形成的干扰，就要采取分割地面的方式。分割期间要遵照以下几项原则：（1）数字地要和电源输入接口离得近些，模拟地要在外围处；（2）数字电路的位置要在数字地上面，而模拟电路的位置要在模拟地的上面，A/D电路的位置则要在前面两者之间；（3）数字地不允许跨过模拟电路，同时模拟地也不可以跨过数字电路；（4）数字地与模拟地进行衔接的时候，阻抗要尽可能地低一些。

1.3 滤波

对于所有的电路来说，滤波是非常重要的。在数字电路里，如果输出状态出现变动，那么供电电源就会出现瞬变电流的情况，因为电源引线具有寄生电感，这样就会导致噪声电压的出现，从而造成电路无法正常有效工作[2]。如果ICI在输出期间，从0变为1，那么就要让电源VCC来给电容C进行充电，电源供电回路中对于脉冲电电流存在等效电感。如果电流发生变动，那么等效电流中就会形成电压，用公式表达则为：

滤波电容的配置要遵照以下原则：（1）电源输入端要和电解电容衔接，而电解电容要达到1～100μF；（2）在离IC的所有电源引脚比较近的方位，要放入一个去耦电容；（3）在使用电容的时候，要进行并联，而且容值比要达到2∶1，这样一来就能够取得非常好的高频效果。

2 引发印制电路板电磁干扰的原因

印制电路板中引发电磁干扰的原因有很多，主要的原因在于元件在一定的状况下会存在隐藏特性，例如在高频段中，导线就好比电感与电阻进行串联；一个电阻好比一个电感和电阻进行串联，然后再和电容进行并联所组成的结构；一个电容就好比一个电感、电阻与电容器的串联；一个电感就好比电阻与电感结合，然后和电容形成并联结构[3-4]。

高速数字电路里，印制电路板中的走线如果很长，就会发生天线效应。印制电路里的元器件的引线与走线相同，同样具备寄生电容与电感，而它们会决定导线的阻抗。走线长度与寄生电容值能够形成电磁干扰发射天线。通过实验能够了解到，走线不大于特定波长的1/20 s，能够防止构成无用的发射源。

在纯数字电路里，电阻能够起到限流以及掌控电平的效果。在设计高频电路时，寄生电容会给设计造成一定程度的破坏。

数字电路里的电容器能够实现对电源总线去耦的效果。如果电路比电容的自谐振率要大，那么就会发生电感特性，会导致电容失掉原先的设计性能。

在印制电路板里，电感能够掌控电磁干扰的程度。电感阻抗会由于频率的加强而造成线性的增多。如果频率较高，那么高频信号的传输就会受到干扰。

3 印制电路板抗干扰措施

3.1 印制电路板分层

印制电路板有单层、双层，也有多层。单层板通常都普遍用在低密度布线的电路中。多层板则普遍会使用在高密度布线的电路中。如果根据抑制电磁干扰的方式进行研究，那么多层板能够降低线路板的电磁辐射，从而提高线路板的抗干扰性。所以，在高速数字电路里，通常会采用多层印制电路板。在设计期间，通常会使用20 H原则，以此确立所有印制线条的间距以及边距。

（1）20 H原则：如果印制电路板具备理想的电压以及频率，就会往空间里传输电磁；而想要降低这种情况出现的概率，就要让其中一个层的信号线印制板的物理尺寸和周围的接地板的物理尺寸都不大于20 H。在多层印制电路板中，20 H通常等于3 mm。

（2）2 W原则：如果印制线之间没有较大的距离，就会出现电磁干扰的情况，这样一来会导致电路功能失去作用。想要防止这种情况的出现，就要让所有的线条间距大于印制线条宽度，也就是2 W。其中W代表的是印制线路的宽度。宽度的具体情况，则主要由线条阻抗决定。如果比较宽，就会降低布线的密度，增加成本；如果太窄，就会干扰传送进终端信号的强度[5]。

3.2 印制电路板的布局

印制电路板的电磁兼容设计效果，主要在于布局布线。在还没有布局时，一定要尽可能地使用不高的成本来满足设计的要求。如果印制电路板尺寸较大，在布局期间器件分布不均匀，那么传送线路就有可能显得较长，很有可能加强阻抗，抗噪声的效果也会不理想，还会增加成本。不过印制电路板的尺寸如果太小，并把器件集中安放，就会对散热性造成一定的影响，周围的走线就极有可能发生耦合的情况。因此一定要通过电路功能单元的实际状况来布局，而且还要做好电磁兼容、散热等方面的工作。通过实验，总结出了印制电路板布局期间要遵照的原则。

（1）将所有功能单元的核心器件作为基准点，然后让其余的元件围绕它来布局；（2）敏感器件之间的布局不要离得太近，输入输出元件要离得远些；（3）要避免电源线、高频信号线等和走线出现耦合的情况；（4）尽可能地少与高频器件进行连接。

4 整体布局布线设计

4.1 整体布局

整体布局是印制电路设计的第一步。完善的布局不仅可以改善印制电路的外观，而且能够提高电磁兼容能力。通常情况下，器件的整体布局要遵照以下几项原则。

（1）以各功能电路的核心元件为基准点来布局，确保所有元件能够顺着相同的方向整齐排序。有可能遭受干扰的元器件，不要和其他元器件放在同一个位置，这样就能够避免信号间的耦合。

（2）处理敏感信号的元器件要拉大和电源的距离，同时不能让敏感信号线经过大功率器件。热敏元件一定要和热发元件保持较远的距离。

（3）每个电位差元器件要保持较远的距离，避免由于放电而造成短路情况的出现，同时还要在无铅的情况下降低CAF出现的概率。另外，高压元器件要尽可能地安排在调整期间不会碰到的地方，然后还要进行绝缘保护。

4.2 元器件的选择和布置

和分立元件相比，集成电路元器件不但密封性好，而且失效率也不是很高，因此得到了普遍的使用。另外，采用信号斜率不快的器件，能够让信号形成的高频成分下降；采用贴片元器件，可以让连线长度变短，并减少阻抗，以此加强电磁兼容性。此外，还要使用供应渠道比较稳的元器件，保证生产器件的连续性。

元器件在安插期间，先分组，然后把同组的放在一起。如果期间它们之间不相容，就要分别安设，这样一来就能够确保所有的元器件在空间里不会遭到干扰。此外，如果元器件比较重的话，就要用支架进行固定[6]。

5 设计实例

在使用逆变器期间，印制电路板设计具有非常重要的作用。印制电路板设计控制电路里的电磁兼容性对并网逆转器具有很大的影响。根据上文介绍的电磁兼容设计方式，设计两层和四层印制电路板。

想要了解设计是否合理，就要在相同的条件下，比较原先的两层板和改善后的四层板。通过结果能够看出，在使用四层板的情况下，并网电流不仅会很光滑，而且不会形成明显的畸变。因此，改善以后的四层板具备更好的抗干扰性，系统性也获得了很大程度的加强。

6 结束语

随着电力电子技术的进一步提高，电磁兼容性问题已经变成了电子系统能否有效运行的关键。我们主要融合数字信号处理器在逆变器控制系统中的使用，然后以布局、接地滤波等为角度，重点分析印制电路板设计的电磁兼容性。在布局印制电路板时，进行波形对比试验后能够发现，得到改善的四层板具备很好的防干扰性，而且系统性也获得了明显的加强。

[1]文军，刘诚，谢言清. 浅谈印制电路板的设计与制作[J]. 中国高新区，2018（4）：132，134.

[2]李文龙，孙伟峰. 印制电路板的设计及电磁兼容问题[J]. 科技风，2017（15）：64.

[3]郭睿涵，张军元. 浅谈印制电路板设计基础[J]. 橡塑技术与装备，2015，41（20）：74-75.

[4]吴飞，章建峰，杨祯，等. 印制电路板设计中的电磁兼容性问题研究[J]. 船舶工程，2015，37（ S1）：171-173.

[5]吴玮玮. 印制电路板设计[J]. 电子制作，2015（8）：12.

[6]马媛媛. 印制电路板及抗干扰技术的设计研究[J]. 无线互联科技，2013（4）：79，81

Electromagnetic Compatibility Analysis of Printed Circuit Board Design

Zhu Zenghui Dai Xianglong

Qiannan Normal University for Nationalities, Physics and Electronics Experiment Center, Guizhou Duyun 558000

Printed circuit board is a very important part of electronic circuits. All electronic components in the printed circuit board will cause very large electromagnetic interference and make the electronic equipment not work normally, and seriously cause the equipment to be damaged. Therefore, in the process of designing electronic circuits, we must pay attention to electromagnetic compatibility issues. Combined with application of the fusion DSP in the inverter control system and combined with the layout, grounding and other conditions, the paper specifically studies the electromagnetic compatibility of the printed circuit board.

printed circuit board; electromagnetic interference; electromagnetic compatibility

TN41

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