印制电路板的设计及电磁兼容问题

李文龙 孙伟峰

摘 要：随着电子技术的普及和集成电路技术的发展，在印制电路板中，电子设备之间的电磁干扰问题成为影响印制电路板高效工作的重要问题。因此在设计印制电路板时，要充分考虑到电磁干扰问题。本文就电磁兼容在印制电路板中的重要性及实施办法展开讨论，介绍在设计印制电路板时应该注意的电磁兼容问题。

关键词： 印制电路板；电磁干扰；电磁兼容

印制电路板是电子元器件电气连接的提供者，也是电子设备中最重要的组成部分。任何电子产品，从日常生活中的电子表、收音机、手机到军事中航母、火箭等形形色色的产品都离不开印制电路板。早期的电路都是通过一根根的导线进行连接的，每设计一个电子产品，就需要耗费很多导线，使得电路器件体积庞大而且线路复杂。随着电子技术的不断发展，印制电路板的出现使得一些线路可以集成在一个板子上，这样可以节省大量的空间和资源。

电磁兼容是一门新兴的综合性学科，是随着无线电广播、通信技术的发展而逐步成长起来的。实际上，随着电子技术的普及和集成电路技术的发展，各种电磁干扰问题纷纷出现，由于电磁干扰造成的经济损失也在增加。因此，电磁兼容越来越重要，它已经不仅仅局限于无线通信，还与电子电路，电网设备息息相关。

1 原理图的设计

在设计一个电路板时，首先要进行的是原理图的设计。为了实现某一个功能，将一些器件通过一定的逻辑关系来连接起来。设计原理图一般使用Altium Designer软件进行操作，所用器件均可以原理图库中进行筛选，若原理图库中没有所要选择的器件，可以自行绘制。绘制好原理图之后需要进行自动检测，检查绘制过程中是否有明显的错误。在原理图绘制完成后，可以进行印制电路板的设计。Altium Designer可以由原理图生成PCB图，也可以自动布线，但自动布线的结果总是差强人意，需要人手工进行布局和布线。而在设计印制电路板时，电磁兼容问题成为一个考虑的重要技术要求。合理的布置印制电路板中元器件和线路的布局，能够有效的减少电磁干扰问题。

2 PCB中的电磁干扰

PCB干扰主要分为两种。一种来自PCB内部，它主要是因为受邻近电路之间的寄生耦合及内部组件的场耦合的影响，信号沿着传输路径有串扰。例如PCB上的电容器，特别是那些在高频场合下使用的电容器。我们可以把它看作一个LCR电路，因为电容实际在电路中工作时，一般都会产生等效电感和阻抗，电容都有自谐振频率，在自谐振频率下，电容器呈现容性。在高于自谐振频率时，电容呈现感性，阻抗随着频率的增高而增大。其中谐振频率为：

ω=1/LC（1）

所以在选择电容时，应该选择其等效电感和电阻比较小的。

串扰的问题也是应该引起重视的，串扰就是能量从一根线耦合到另一根线上。由法拉第电磁感应现象可知，当一根导线通过电流时，在导线的周围便会产生磁场。不同导线的磁场相互作用就会产生串扰。互感是产生串扰的机制之一，它的大小和导线中的电流成正比关系。由互感产生的噪声公式为：

V=Ldl[]dt（2）

互容是产生串扰的另外一个机制，它就是两个电极通过电场耦合而产生的。互容C会对导线产生一个感应电流：

I=CdV[]dt（3）

另一种电磁干扰来自PCB的外部，它又分为辐射干扰和敏感元两种问题。辐射主要来于时钟和其他周期信号的谐波源，还有一些电子设备或者仪器中由于有电压和电源的跳变，产生二次谐波。解决的方法是将周期信号限制在一个尽量小的区域内并阻隔与外界寄生耦合的途径，必要的时候可以采用滤波器进行滤波；外部敏感主要是无线频率干扰和静电放电等，解决这一问题可以使用屏蔽、良好接地及滤波的方法。

3 设计印制电路板时的抗干扰方法

1）PCB板材料的选择。

印制电路板有单面、双面和多层板之分。最常用环氧树脂玻璃布作为基板，这种材料具有以下几个优点：膨胀性好，有利于减小环路面积，减小差模干扰，吸水性低，耐热，抗化学腐蚀，抗冲击性能好。

2）PCB的布线。

布线时要遵循通量最小原理，通量最小原理是指传输线和返回路径产生的磁力线相互抵消，实现电通量对消。单面板无地平面，其走线要点是减小电源回路与信号回路的回路面积。使用接地保护走线。拉出地线紧贴电源线或信号线一起走线，减小环路面积。高速信号走线时应为直线或钝角，不应该出现锐角和直角。

3）PCB的布局。

一般情况下，PCB设计软件都有自动布局的功能，但是这个功能并不能满足实际工作的需要，因此需要设计者熟悉布局的规则。布局时应该将数字电路部分和模拟电路部分分开，中间留有一部分空间隔开。布局时应根据速率高、中、低速、I/O电路分区，以减少高速电路对其它部分的干扰。如图所示。

4 结语

印制电路板的设计是一个复杂的过程，设计时需要考虑的因素很多，稍不注意就会对电路板的性能产生很大的影响。而在设计过程中，如果没有充分考虑到电磁兼容问题，那么设计出来的电路板很可能无法正常投入使用。所以在设计时应该充分的考虑到走线、布局、接地、屏蔽等问题，防止信号之间发生串扰。

参考文献：

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[6]彭亮，黄峥嵘，黄明晖，杜迎.印制电路板电磁兼容设计浅析[J].电子与封装，2013第13卷第6期.

作者简介：李文龙（1995），男，本科，研究方向：测控技术与仪器；孙伟峰（1995）， 男，本科，研究方向：测控技术与仪器。