【導(dǎo)讀】PCB電路設(shè)計在生產(chǎn)生活中至關(guān)重要，本文從電磁兼容這一問題出發(fā)，討論PCB電路設(shè)計，以及在設(shè)計PCB電路過程中存在的電磁干擾等問題。分析單線，多導(dǎo)體線和元器件的設(shè)置、路線，從而得出關(guān)于PCB電路中布線的一些設(shè)計規(guī)范和技能。如果將這些原則和規(guī)范使用于電路設(shè)計的最初環(huán)節(jié)，那么存在于布線中的電磁干擾問題就會被PCB電路設(shè)計師很快的解決。
所謂PCB(Printed Circuit Board)，實際上就是印制線路板，它是一種較為重要的電子產(chǎn)品，是電子元器件電氣連接的提供者，在電路元件與電器件之間的銜接上，起重大的作用。是電子元器件的支撐體，對電路元件和器件起支撐作用。抗干擾能力的強弱直接受印制線路板設(shè)計的優(yōu)良影響。因此，線路的設(shè)置安排和抗干擾能力是設(shè)計師在設(shè)計線路時必須同時兼顧的。PCB印制線路板根據(jù)電路層數(shù)可分為單面板、雙面板和多層板。常見的多層板一般為4層板或6層板，復(fù)雜的多層板可達十幾層。
盡管電子工程人員經(jīng)過很多年的設(shè)計與實踐，已經(jīng)總結(jié)出了一些規(guī)范和設(shè)計經(jīng)驗，但是截至目前，國家在這一方面并沒有明確的要求和規(guī)則。基于此，實踐中我們只能在設(shè)計電路過程中充分的運用設(shè)計原則和相關(guān)規(guī)則，進行整體規(guī)劃與設(shè)計，尤其是進行電路的抗干擾設(shè)計。做到以上這些，就能有效避免電路設(shè)計實踐中出現(xiàn)嚴(yán)重的電磁干擾問題，而且還能有效的降低頻率和節(jié)約設(shè)計成本費用，對于有效減少電氣電路設(shè)計時間具有非常重要的作用。
1 印制電路板中電磁環(huán)境的構(gòu)成
電磁干擾源，耦合途徑和接收器這3個部分組成一個簡單的電磁干擾模型，如圖1所示。
圖1：電磁干擾模型的組成
微處理器、微控制器、靜電放電、傳送器以及瞬時功率執(zhí)行元件都是常見的干擾源，在印制線路板中出現(xiàn)的頻率較高。時鐘電路通常情況下在一個微控制系統(tǒng)里是最大的寬帶噪聲發(fā)生器。
傳導(dǎo)耦合和輻射耦合二者共同構(gòu)成了耦合途徑，在印制線路板中發(fā)揮著重要作用。耦合途徑不同，產(chǎn)生的干擾問題也就自然不同。比如：
1)互感在導(dǎo)線之中頻頻發(fā)生，同時電容處于部分狀態(tài)下時，也可能會大幅度上升；
2)印制板導(dǎo)線串?dāng)_；
3)高頻信號經(jīng)印制導(dǎo)線時所產(chǎn)生的高頻電磁場；
4)因時鐘信號而導(dǎo)致的電磁輻射干擾現(xiàn)象;
5)反射干擾；
6)因一系列操作不當(dāng)產(chǎn)生的干擾。
總之，許多物件都有可能成為敏感元件，包括電子元件和導(dǎo)線。要想整體把握板子的整體布局和元器件的位置就需要在布線上面下功夫，只有合理的布線和達到電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)才是實現(xiàn)這一目的最佳途徑。
2 印制線路板中單根走線
PCB電路設(shè)計中，差分走線耦合較小，只占10～20%的耦合度，更多的還是對地的耦合。當(dāng)?shù)仄矫姘l(fā)生不連續(xù)時。無參考平面區(qū)域，差分走線耦合會提供回流通路。
PCB布線中要求避免直角走線的出現(xiàn)。直角走線對信號有著負(fù)面影響，因此PCB中的走線一般采用具有45度拐角或圓弧拐角線。直角走線和非直角走線的差異主要有：1)拐角能等效為傳輸線上得容性負(fù)載，減少上升的時間;2)拐角也能抵御因不持續(xù)而造成的信號反射;3)電磁干擾會因直角尖端產(chǎn)生。
不同的拐角線，角度上具有明顯的差異性。圖2運用了FDTD數(shù)值方法進行試驗，通過模擬對反射傳輸特性和反射特性這二者進行對比。在45度外斜切面拐角線反射性與傳輸性能上，優(yōu)于其他兩種拐角線。這3種走線形式比圓弧的拐角線要差，但是弧度的刻劃成本比較高。這是因為圓弧的刻劃要求精湛的制版技術(shù)。精湛的技術(shù)必然會引起成本的增加，因此通常在選擇走線時，會將目光停留在45度外斜切面拐角線上。
圖2：3種不同走線形式的Sn曲線圖
3 對多導(dǎo)體傳輸線在應(yīng)用中的串?dāng)_探析
傳送信號和機器的運作頻率在PCB電路設(shè)計中要注意適度原則，如果達到兆赫級，那么對線路的干擾就很嚴(yán)重。走線間的干擾形成的主要原因是串?dāng)_問題。PCB電氣電路設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)亓粢庖幌麓當(dāng)_問題，盡可能地減少布線串?dāng)_問題出現(xiàn)。實踐中可以看到，若發(fā)生串?dāng)_現(xiàn)象，通常至少會有3個導(dǎo)體和兩個線攜帶信號。如圖3所示，而第3條導(dǎo)線只是作為一種參考而言。
圖3：串?dāng)_電路示意圖
[page]實踐中可以看到，源和受干擾電路之間的作用，通常會產(chǎn)生一種VS，該作用下的zs、zL會產(chǎn)生感應(yīng)電壓和電流，其zs和源相互聯(lián)系，而zL主要與負(fù)載端相互聯(lián)系。
為減少干擾現(xiàn)象的出現(xiàn)，筆者特提出以下建議和設(shè)計規(guī)劃：
1)以功能作為主要依據(jù)的邏輯器件，對總線結(jié)構(gòu)進行控制；
2)元件物理距離最小化；
3)布線走線長度應(yīng)嚴(yán)格控制；
4)元件既要與I/o接口遠離，又要盡可能地避開數(shù)據(jù)干擾；
5)確保阻抗受控走線路徑的準(zhǔn)確性，通常頻波能量較大一些的走線應(yīng)當(dāng)注意考慮；
6)提供一些相交性的走線，以確保走線之間有適當(dāng)?shù)木嚯x，確保電感耦合最小化；
7)緊挨著的布線層應(yīng)當(dāng)垂直，這樣可以減小層間電容耦合；
8)加強信號與地面之間的間隔和距離控制；
9)布線層要單獨隔開，必須以相同軸線布線，確保布線層分置預(yù)實心平面結(jié)構(gòu)之中。
4 印制線路板內(nèi)部元器件的走線分布
通常情況下，功能單元與設(shè)備滿足電磁兼容性要求，主要是由電路的基本元件滿足電磁特性的程度決定。
選擇電磁元件時，電磁特性和電路裝配是必須考慮的兩個因素，否則選出的電磁元件是劣質(zhì)的。這主要是因為遠離基頻的元件響應(yīng)特性決定了電磁兼容性是否實現(xiàn)。大多情況下，對外響應(yīng)(比如引線的長度)和元件之間耦合的程度由電路裝配決定。需要注意以下幾點。
PCB大小是首先要考慮到的一個因素。PCB尺寸要適中，過大過小都不合要求。如果太過，則印制時需有很多的線條，以此來增加阻抗、下挫抗噪聲性能，然其成本會隨之增加;如果太小，則缺乏散熱能力，受干擾對象便會擴展至相鄰的線條。基于此，在確定特殊元件的位置之前，應(yīng)當(dāng)充分地測量PCB實際規(guī)格和尺寸;以電路功能為基礎(chǔ)，對電路中的所有元器件統(tǒng)一的規(guī)劃和調(diào)整。實際操作過程中，為了能夠最大限度的降低高頻元器件線路耗損、降低參數(shù)分布復(fù)雜性，避免電磁干擾，就要想盡辦法隔開，讓輸入和輸出元件之間存在距離。縮小元器件或?qū)Ь€之間的較高的電位差，避免因放電而造成短路問題。電路調(diào)試過程中，若元器件帶有高電壓，則應(yīng)當(dāng)盡可能置于不容易碰到的位置。
同時還要注意用支架對其進行有效的固定，若焊接159以上的元器件。則體型相對較大、較沉重的發(fā)熱元器件就不能適應(yīng)印制板，應(yīng)該被淘汰。這種元器件應(yīng)該被配置在機箱的底板上。在安裝的同時應(yīng)該將散熱問題考慮在內(nèi)。熱敏元件不能靠近發(fā)熱元件。
整機的結(jié)構(gòu)要求應(yīng)首先被考慮，特別是在布局可調(diào)節(jié)的元件時，比如電位器，開關(guān)等。如果是機內(nèi)調(diào)節(jié)的情況，那么應(yīng)被安置在便于調(diào)節(jié)的區(qū)域，比如印制板的上面;如果是機外調(diào)節(jié)，則需考慮調(diào)節(jié)旋鈕。
印制板定位孔和固定支架需要的區(qū)域首先要騰出。對電路的全部元器件進行分布設(shè)置時，要依據(jù)其功能單元，因此，要做到以下幾點：
1)為了使信號更加流通，要考慮電路的流程，每個功能電路單元要被放置在合理的區(qū)域內(nèi)，這樣也能使信號最大限度在統(tǒng)一的方向上；
2)在進行布局時，要緊緊圍繞各個功能電路的核心元件這一核心。元器件在排列時，應(yīng)注意勻稱、不雜亂、緊密這些原則。連接各元器件之間所用的導(dǎo)線要盡量減少；
3)電路在高負(fù)荷狀態(tài)下運行時，需考慮實際分布狀況。最大限度地使元器件平行分布于電路之中。平行分布可以使外表狀況看上去更好看，方便裝焊，對大量的生產(chǎn)也有很大幫助；
4)處于電路板邊緣的元器件，其位置與電路板中心距離不可超過2毫米;對于電路板而言，建議設(shè)計成矩形。長是寬的1.5倍.或是1.3倍。
5 常用的EMC設(shè)計軟件
PCB板與外部的接口處的電磁輻射是分析時需要考慮的因素。此外，還要考慮PCB板中電源層的電磁輻射以及大功率布線網(wǎng)絡(luò)的輻射問題。現(xiàn)在，在設(shè)計EMC軟件時已經(jīng)大量的應(yīng)用了板級與系統(tǒng)級互連仿真，這兩者主要是建立在Cadence公司的技術(shù)上的。同時，SI/PUEMI的模擬分析也被應(yīng)用于其中。
德國的INCASES公司發(fā)明了EMC-WORKBENCH，這一軟件在EMC模擬仿真分析有著重要的推動力。因此，INCASES公司成為行業(yè)的領(lǐng)軍者，為EMC的進展做出重大貢獻。
EMC-WORKBENCH為設(shè)計者提供幫助，特別是在電磁兼容這一技術(shù)難點上。同時使得設(shè)計過程發(fā)生改變，減少了工作量，刪去了一些設(shè)計程序。由于EMC模擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，因此促使PCB設(shè)計快步進入到一個嶄新的時代，尤其是電子工程人員利用該技術(shù)可實現(xiàn)短期的高質(zhì)量、高可靠性設(shè)計。
在實施EMC模擬仿真分析過程中，必然給電路設(shè)計、PCB制造行業(yè)的發(fā)展帶來更大的機會和更為廣泛的發(fā)展空間。實踐中可以看到，一塊電路板可能來自于很多個生產(chǎn)廠家，而且他們的功能性存在著較大的差異，設(shè)計人員在對EMC進行分析時，需全面了解元器件的自身特點，讓后方可對其進行具體的模擬仿真操作。該項操作若以傳統(tǒng)的視角來看，似乎是一項非常艱巨的工程，然IBIS SPICE的出現(xiàn)，對EMC問題分析而言，起到了非常大的促進作用。
6 結(jié)論
總而言之，在PCB實際設(shè)計過程中，一定要嚴(yán)格按照相關(guān)設(shè)計規(guī)范進行，要符合抗干擾設(shè)計之原則和要求，只有這樣才能使電子電路處于最佳的性能狀態(tài)。PCB設(shè)計初期階段，需要對布線中的問題進行全面的考慮，這樣才能有效減少設(shè)計周期，提高設(shè)計質(zhì)量。
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