中心論題：
- 如何抑制電源布線產(chǎn)生的電磁干擾
- 如何抑制信號布線產(chǎn)生的電磁干擾
解決方案：
- 使用電源平面法、共地平面法和電源母線法抑制電源布線電磁干擾
- 增大信號線之間的距離，減小信號線與地之間的距離抑制信號布線電磁干擾
- 設(shè)計印制電路板應(yīng)遵循一定原則來抵抗電磁干擾
印制電路板是電子線路中電子元件的支托部件，它提供了電路中元器件之間的電氣連接。隨著電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，電子系統(tǒng)特別是高頻電路中邏輯和系統(tǒng)時鐘頻率的迅速提高和信號邊沿不斷變得陡峭，由此產(chǎn)生的電磁干擾(通常稱為噪聲)越來越突出，抗干擾問題越來越引起人們的重視。而抑制電磁干擾應(yīng)從電子產(chǎn)品制作的初級階段開始，從印制電路板的布線制作著手。印制電路板的布線設(shè)計，既要考慮減少電子系統(tǒng)的電磁干擾，又要做到提高電子系統(tǒng)抗干擾的能力，防止電磁干擾的吸收和傳遞，即需做到電磁兼容。
本文主要討論在印制電路板的布線設(shè)計中電源布線和信號布線的電磁干擾問題。若兩種布線設(shè)計不好，電磁干擾將直接影響著自身或別的電子設(shè)備或系統(tǒng)的工作性能，嚴(yán)重時還會使人們的生命財產(chǎn)受到威脅。
電源布線產(chǎn)生的電磁干擾及干擾的抑制
a.電源布線產(chǎn)生的電磁干擾
電源布線會產(chǎn)生分布電容、分布電感、分布電阻。印制電路板上供電電源通常為直流電源，供電的主要目的是為印制電路板上的每個用電元器件提供一個準(zhǔn)確的電壓。而電源所驅(qū)動的負(fù)載常具有瞬態(tài)變化的特性，受分布阻抗的影響，負(fù)載電壓或電流的瞬態(tài)變化會引起電源電壓或電流發(fā)生瞬態(tài)變化，這如同在電源的負(fù)載端接上一個瞬態(tài)變化的信號源。特別是在高頻，有的器件工作在數(shù)字開關(guān)狀態(tài)，這一現(xiàn)象更為突出。這樣電源布線既含有直流電壓，又含有瞬態(tài)變化的電壓(稱為寄生電壓)，瞬變電壓會產(chǎn)生高次諧波，其都是產(chǎn)生電磁干擾的主要來源[2]81-82。在高頻時，電源布線可被看成傳輸線[3]41，電源布線某點上的干擾電壓或電流在分布電容和分布電感的相互作用下產(chǎn)生振蕩，影響電路的穩(wěn)定工作。
目前在電子、電器、信息領(lǐng)域應(yīng)用較多的開關(guān)電源具有節(jié)能和高效的優(yōu)勢，開關(guān)電源向著高頻化、小型化發(fā)展，應(yīng)用日趨廣泛。但開關(guān)電源中功率管在高壓下以高頻開關(guān)方式工作。高頻開關(guān)和電流接近方波，這些方波信號中含有豐富的高次諧波噪聲。開關(guān)電源的高頻器件在通斷時，常常產(chǎn)生高頻高壓的尖峰振蕩波，通過分布電容向空間輻射[2]73。同時與電源一起工作的整流二極管也會產(chǎn)生高頻干擾，一般離電源較近，容易通過直流輸出線向外輻射電磁干擾。
電源布線同時也是電磁干擾的接收器，外來的干擾噪聲也會耦合到電源布線中，通過傳導(dǎo)，傳給所連接的電子器件。
b.電源布線的防干擾措施
電源布線可采取以下抗干擾措施：
1.電源平面法
利用印制電路板的一層作為電源平面層，至少有一層作為地平面，每一層只能提供一種電源電壓，通過印制電路板上的過孔將電源電壓引到器件上。這種做法使電源布線分布阻抗非常小，電路壓降小，器件上能得到穩(wěn)定的直流電壓[2]83。同時平面間靠得很近，能較好地抑制電場耦合。且電源平面往返電流大小相等，磁場干擾能抵消。但這種布線成本高，多用在高速系統(tǒng)中，若需幾種電壓，將需增加平面層數(shù)，成本更高。
2.共地平面法
這個地作為電源及電子器件的公共地，高頻布線設(shè)計中，電流的返回路徑對系統(tǒng)的影響比較大，由于是平面地，電源及所有信號(包括發(fā)送和接收)返回路徑的附加阻抗非常小，壓降可忽略，各器件上就能得到穩(wěn)定的電源電壓。同時，所有的電源去線與信號線都與平面地成鏡像關(guān)系，形成的電流也是鏡像電流，電磁干擾耦合得到較好地抑制。
3.電源母線法
這種布線設(shè)計可分別提供幾種電壓。布線的條數(shù)由器件的多少而定。這種布線比上述兩種布線方法抗電磁干擾能力稍差，但成本小。這種布線要達(dá)到以下要求：
(1)布線要寬。
(2)加去耦電容。這種電容起到旁路濾波的作用。要在電源的輸入端并聯(lián)較大的和較小的濾波電容。在高頻時，實際的電容器相當(dāng)于帶通濾波器，它可等效為電感、電阻和電容的串聯(lián)，較大的和較小的電容并聯(lián)使用，目的是增加旁路濾波的帶寬。同時，在每一個有源器件的電源引腳與地之間也要并聯(lián)一個電容器，容量一般在0.01 μF～0.1 μF，這個并聯(lián)電容相當(dāng)于噪聲濾波器，能濾掉高頻諧波噪聲[1]89-91。
(3)地線環(huán)繞，作為母線中的地線可以不等寬，但寬窄過渡要平滑，以避免產(chǎn)生噪聲，地線要靠近供電電源母線和信號線，因電流沿路徑傳輸會產(chǎn)生回路電感[2]92，地線靠近，回路面積減小，電感量減小，回路阻抗減小，從而減小電磁干擾耦合。
信號布線產(chǎn)生的干擾及干擾的抑制
電磁干擾的存在必須具有三個條件，一是電磁干擾源，例如：工作中的高頻大功率器件，二是電磁干擾敏感件，三是電磁干擾的傳播途徑，例如信號布線和電源布線[1]2，前兩種可采用屏蔽的方法以防止電磁干擾的輻射(對要求實現(xiàn)向外輻射電磁能量功能的電子產(chǎn)品除外)和吸收。
布線設(shè)計處在印制電路板制作的最早階段，此時融入的電磁兼容的自由度最大，所用成本最低，必須充分考慮它的電磁兼容性能。信號布線同樣有分布電感、分布電容和分布電阻，它們代表了干擾耦合路徑的分布參數(shù)，這些分布參數(shù)隨信號頻率的增加而增大。
只要兩條線有電位差，兩條線間就會存在電場。假設(shè)三條導(dǎo)線，A、B分別為信號線，D為地線，CAD為A的分布電容，若A的電位比B的高，B處在A的某個或某些等位面上，A中的電位就會與B發(fā)生耦合，這種電場耦合為容性耦合。同理B與A也可能產(chǎn)生這種耦合。抑制容性耦合的方法：一是要增大兩布線導(dǎo)線間的距離(大于干擾信號最大波長的四分之一)[2]9，二是要減小信號線與地之間的距離。
若A、B兩導(dǎo)線靠近，當(dāng)導(dǎo)線A中有電流時，它的周圍就存在著磁場，磁感線就會有一部分環(huán)繞到導(dǎo)體B組成的回路中，B回路就被感應(yīng)出感生電流，這種磁場干擾耦合屬于感性干擾(互感)耦合。同時，若A導(dǎo)線中的電流發(fā)生變化，還會存在自感，也會產(chǎn)生感性干擾(自感)耦合。抑制感性干擾耦合的方法：一是增大信號線與信號線之間的距離，以減小互感，原因是互感系數(shù)與距離成反比[4]224。二是減小信號線與地之間的距離，以減小信號線與地之間圍成的磁通面積。減小線地距離外，還應(yīng)盡量避免信號線的平行布設(shè)。
印制電路板上還存在其他干擾，如溫度噪聲。
印制電路板在考慮抗電磁干擾方面應(yīng)遵循的原則
- 首先考慮整個電路板的尺寸，不使用比實際需要更大的印制電路板。
- 不同功能的單元電路(如數(shù)字電路與模擬電路，高頻與低頻)分開設(shè)置，布線圖形應(yīng)易于信號流通且使信號流向盡可能保持一致。
- 印制導(dǎo)線盡可能短而寬。它的最小寬度應(yīng)以能承受電流的大小(一般是額定電流的2—3倍)而定，但最小寬度不宜小于0.2 mm。在高密度、高精度的印制線路中，導(dǎo)線寬度和間距一般可取0.3 mm，地線寬度最小為2 mm。印制導(dǎo)線的拐彎應(yīng)成圓角，各層電路板的導(dǎo)線應(yīng)相互垂直，斜交(或彎曲走線)，避免相互平行。
- 合理使用屏蔽和濾波技術(shù)，注意高低壓之間的隔離。
- 元件的選用，盡量不選用比實際需要的速度更快的元件，在元件的位置安排上，易受電磁干擾的元器件不能相距太近，應(yīng)大于信號波長的四分之一，輸入器件與輸出器件盡量遠(yuǎn)離。
- 做到安全接地。低頻電路(1 MHz以下)可用單點并聯(lián)接地。這種接地方式可使各電路的電流流過導(dǎo)線時所產(chǎn)生的壓降互不影響，不會形成干擾，但這種接地方式對復(fù)雜系統(tǒng)實現(xiàn)起來很麻煩。常用的是串聯(lián)單點接地，但這種方式中各電路的電流要流過一個公共的阻抗，各電路接地點所產(chǎn)生的壓降會對各電路造成不同程度的干擾。高頻電路(10 MHz以上)必須采用多點接地。一個復(fù)雜的電子系統(tǒng)會存在電源地、信號地和屏蔽地，應(yīng)把它們接到公共的地線上。
