PCB設(shè)計中的電磁兼容性考慮

1．電磁兼容的一般概念

考慮電磁兼容的根本原因在于電磁干擾的存在。電磁干擾（Electromagnetic Interference，簡稱EMI）是破壞性電磁能從一個電子設(shè)備通過輻射或傳導(dǎo)傳到另一個電子設(shè)備的過程。一般來說，EMI特指射頻信號（RF），但電磁干擾可以在所有的頻率范圍內(nèi)發(fā)生。

電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，簡稱EMC）是指電氣和電子系統(tǒng)、設(shè)備和裝置在設(shè)定的電磁環(huán)境中，在規(guī)定的安全界限內(nèi)以設(shè)計的等級或性能運行，而不會由于電磁干擾引起損壞或不可接受到性能惡化的能力。這里所說的電磁環(huán)境是指存在于給定場所的所有電磁現(xiàn)象的總和。這表明電磁兼容性一方面指電子產(chǎn)品應(yīng)具有抑制外部電磁干擾的能力；另一方面，該電子產(chǎn)品所產(chǎn)生的電磁干擾應(yīng)低于限度，不得影響同一電磁環(huán)境中其他電子設(shè)備的正常工作。

現(xiàn)今的電子產(chǎn)品已經(jīng)由模擬設(shè)計轉(zhuǎn)為數(shù)字設(shè)計。隨著數(shù)字邏輯設(shè)備的發(fā)展，與EMI和EMC相關(guān)的問題開始成為產(chǎn)品的焦點，并得到設(shè)計者和使用者很大的關(guān)注。美國通信委員會（FCC）在20世紀70年代中后期公布了個人電腦和類似設(shè)備的輻射標準，歐共體在其89/336/EEC電磁兼容指導(dǎo)性文件中提出輻射和抗干擾的強制性要求。我國也陸續(xù)制定了有關(guān)電磁兼容的國家標準和國家軍用標準，例如“電磁兼容術(shù)語”（GB/T4365-1995），“電磁干擾和電磁兼容性術(shù)語”（GJB72-85），“無線電干擾和抗擾度測量設(shè)備規(guī)范”（GB/T6113-1995），“電動工具、家用電器和類似器具無線電干擾特性的測量方法和允許值”（GB4343-84）。這些電磁兼容性規(guī)范大大推動了電子設(shè)計技術(shù)并提高了電子產(chǎn)品的可靠性和適用性。

2．EMC在PCB設(shè)計中的重要性

隨著電子設(shè)備的靈敏度越來越高，并且接受微弱信號的能力越來越強，電子產(chǎn)品頻帶也越來越寬，尺寸越來越小，并且要求電子設(shè)備抗干擾能力越來越強。一些電器、電子設(shè)備工作時所產(chǎn)生的電磁波，容易對周圍的其他電氣、電子設(shè)備形成電磁干擾，引發(fā)故障或者影響信號的傳輸。另外，過度的電磁干擾會形成電磁污染，危害人們的身體健康，破壞生態(tài)環(huán)境。

如果在一個系統(tǒng)中各種用電設(shè)備能夠正常工作而不致相互發(fā)生電磁干擾造成性能改變和設(shè)備的損壞，人們就稱這個系統(tǒng)中的用電設(shè)備是相互兼容的。但是隨著設(shè)備功能的多樣化、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、功率的加大和頻率的提高，同時它們的靈敏度也越來越高，這種相互兼容的狀態(tài)越來越難獲得。為了使系統(tǒng)達到電磁兼容，必須以系統(tǒng)的電磁環(huán)境為依據(jù)，要求每個用電設(shè)備不產(chǎn)生超過一定限度的電磁發(fā)射，同時又要求它本身要具備一定的抗干擾能力。只有對每一個設(shè)備都作出這兩個方面的約束和改進，才能保證系統(tǒng)達到完全兼容。

通常認為電磁干擾的傳輸有兩種方式：一種是傳導(dǎo)方式；另一種是輻射方式。在實際工程中，兩個設(shè)備之間發(fā)生干擾通常包含著許多種途徑的耦合。正因為多種途徑的耦合同時存在，反復(fù)交叉，共同產(chǎn)生干擾，才使得電磁干擾變得難以控制。

常見的電磁干擾主要有以下幾種：

（1）射頻干擾。由于現(xiàn)有的無線電發(fā)射機的激增，射頻干擾給電子系統(tǒng)造成了很大的威脅。蜂窩電話、手持無線電、無線電遙控單元、尋呼機和其他類似設(shè)備現(xiàn)在非常普遍。造成有害的干擾并不需要很大的發(fā)生功率。典型的故障出現(xiàn)在射頻場強為1～10V/m的范圍內(nèi)。在歐洲、北美和很多亞洲國家，避免射頻干擾損壞其他設(shè)備已經(jīng)成為對所有產(chǎn)品在法律上的強制性規(guī)定。

（2）靜電放電（ESD）?，F(xiàn)代芯片工藝已經(jīng)有了很大的進步，在很小的幾何尺寸（0.18um）上元件已經(jīng)變得非常密集。這些高速的、數(shù)以百萬計的晶體管微處理器的靈敏性很高，很容易受到外界靜電放電影響而損壞。放電可以是直接或輻射的方式引起。直接接觸放電一般引起設(shè)備永久性的損壞。輻射引起的靜電放電可能引起設(shè)備紊亂，工作不正常。

（3）電力干擾。隨著越來越多的電子設(shè)備接入電力主干網(wǎng)，系統(tǒng)會出現(xiàn)一些潛在地干擾。這些干擾包括電力線干擾、電快速瞬變、電涌、電壓變化、閃電瞬變和電力線諧波等。對于高頻開關(guān)電源來說，這些干擾變得很顯著。

（4）自兼容性。一個系統(tǒng)的數(shù)字部分或電路可能干擾模擬設(shè)備，在導(dǎo)線之間產(chǎn)生串繞（Crosstalk），或者一個電機可以引起數(shù)字電路的紊亂。

另外，一個在低頻可以正常工作的電子產(chǎn)品，當(dāng)頻率升高時會遇到一些低頻所沒有的問題。比如反射、串繞、地彈、高頻噪聲等。

一個不符合EMC規(guī)范的電子產(chǎn)品不是合格的電子設(shè)計。設(shè)計產(chǎn)品除了滿足市場功能性要求外，還必須采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計技術(shù)來預(yù)防或解除EMI的影響。

3．PCB設(shè)計的EMC考慮

對于高速PCB（Printed Circuit Board，印制電路板）設(shè)計中EMI問題，通常有兩種方法解決：一種是抑制EMI的影響，另一種是屏蔽EMI的影響。這兩種方式有很多不同的表現(xiàn)形式，特別是屏蔽系統(tǒng)使得EMI影響電子產(chǎn)品的可能性降到了最低。

射頻（RF）能量是由印制電路板（PCB）內(nèi)的開關(guān)電流產(chǎn)生的，這些電流是數(shù)字元件產(chǎn)生的副產(chǎn)品。在一個電源分配系統(tǒng)中每一個邏輯狀態(tài)的改變都會產(chǎn)生一個瞬間的電涌，大多數(shù)情況下，這些邏輯狀態(tài)的改變不會產(chǎn)生足夠的接地噪聲電壓造成任何功能性的影響，但當(dāng)一個元件的邊沿速率（上升時間和下降時間）變得相當(dāng)快的時候便會產(chǎn)生足夠的射頻能量影響其他的電子元件的正常工作。

3.1 PCB上電磁干擾產(chǎn)生的原因

不適當(dāng)?shù)淖龇ㄍǔ赑CB上引起超出規(guī)范的EMI。結(jié)合高頻信號的特性，與PCB級的EMI相關(guān)的主要包括以下幾個方面：
　?。?）封裝措施使用不適當(dāng)。如應(yīng)該用金屬封裝的器件卻用塑料封裝。
　?。?）PCB設(shè)計不佳，完成質(zhì)量不高，電纜與接頭的接地不良。
　?。?）不適當(dāng)甚至錯誤的PCB布局。