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第10章
PCB电磁兼容设计
10．2
印刷电路板中的电磁兼容设计方法
印刷电路板(PCB)是电子产品中电路元件和器件的支撑件，PCB中的电磁兼容性直接决定着产品开发是否成功，决定着产品抗干扰能力的高低。
10．2．1
PCB材料的选择与电磁兼容性
根据产品的实际需要及成本综合考虑PCB层数的选择，一般来说，多层板能够较好地控制EMI，但太多的层也增大了电磁管理的难度。
阻焊层可防止焊锡膏的流动。
如果所用的时钟速率超过30MHz，就必须要采用多层电路板。
在设计高密度PCB板时，需要完善有关高精度蚀刻的PCB设计规范
10．2．2
集成电路芯片的电磁兼容问题
实际工作中，设计工程师通常认为自己能够接触到的EMC问题就是PCB板级设计。然而在考虑EMI控制时，首先应该考虑对集成电路芯片的选择。
1．集成电路芯片的EMI来源
PCB中集成电路EMI的来源主要有：数字集成电路从逻辑高到逻辑低之间转换或者从逻辑低到逻辑高之间转换过程中，输出端产生的方波信号频率导致的EMI。
由于IC管脚以及内部电路都是电源总线的一部分，而且吸纳电流和输出信号的上升时间也在一定程度上取决于IC的工艺技术，因此选择合适的IC就可以在很大程度上控制上述公式中提到的所有三个要素。
2．IC封装特征在电磁干扰控制中的作用
IC封装通常包括硅基芯片、一个小型的内部PCB以及焊盘。
首先看硅基芯片与内部小电路板之间的连接方式。
采用绑定线的问题在于，每一个信号或者电源线的电流环路面积的增加将导致电感值升高。
在IC封装设计中，降低电感并且增大信号与对应回路之间或者电源与地之间的电容是选择集成电路芯片过程中的首选考虑。
3．其他相关的IC工艺技术问题
集成电路芯片偏置和驱动的电源电压Vcc是选择IC时要注意的重要问题。
10．2．3 滤波设计
对于任何设备而言，滤波都是解决电磁干扰的关键技术之一。
滤波器可以抑制交流电源线上输入的干扰信号及信号传输线上感应的各种干扰。滤波器可分为交流电源滤波器、信号传输线滤波器和去耦滤波器。
带共模电感的EMI滤波器的元件参数,不能按没有互感的滤波器所得到的公式进行设计。通常要先决定所采用的电路结构,然后利用共模等效电路,用网络分析理论,求出它的共模插入损耗。
交流滤波器的安装及布线直接影响滤波器的性能，在其安装布线中应注意以下几点：
(1)滤波器应安装在机柜底部离设备电源入口尽可能近的部位，并加以绝缘，不要让未经过滤波器的电源线在机柜内迂回。如果交流电源线进入机柜内到电源滤波器之间有较长的距离时，则这段线应加屏蔽。
(2)电源滤波器的外壳必须用截面积大的导线以最短的距离与机壳连为一体，并尽量使电源滤波器的接地点与机壳接地点保持最短的距离。
(3)机壳内的其他电器或电磁开关等应从滤波器的前端引线接到负载，或为这些干扰源单独加装滤波器。
10．2．4 电磁兼容设计中的布局与布线
PCB设计中的布局，是指PCB上电子元件及配件的排列方式。
PCB中元器件的布局应从两个层面上考虑，一个是平面的，即通常在PCB设计中提到的PCB布局；另外一个是立体的元器件布局，既要考虑到元件的大小、所占空间，又要考虑到元器件的密度。
1．高频数字电路PCB的电磁兼容设计中的布局与布线
高频数字电路PCB布线规则如下。 ①高频数字信号线要用短线。 ②主要信号线最好集中在PCB板中心。 ③时钟发生电路应在板中心附近，时钟扇出应采用菊链式或并联布线。 ④电源线尽可能远离高频数字信号线或用地线隔开，电路的布局必须减小电流回路，电源的分布必须是低感应的(多路设计)。 ⑤输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。 高速PCB的设计方法必须能够处理在较高频段处产生的较强电磁场效应。
2．混合信号电路PCB的电磁兼容设计中的布局与布线
混合信号电路PCB是指PCB中含有模拟电路和数字电路的PCB，混合信号电路PCB的设计很复杂，元器件的布局、布线以及电源和地线的处理将直接影响到电路性能和电磁兼容性能。
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10．3
屏蔽与搭接设计
屏蔽就是对空间区域进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波的感应和辐射。
电磁屏蔽的技术原理主要有两种：一是反射，由于空气和金属屏蔽的电磁阻抗不同，使入射电磁电波产生反射作用。二是吸收，进入金属屏蔽内的电磁波在金属屏蔽内传播时，由于衰减而产生吸收作用。 屏蔽按机理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。
10-3-1
电场屏蔽
1．屏蔽机理
将电场感应看成分布电容间的耦合。一般采用电导率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体接
地，使电力线在此终止，因而电场不会泄漏到屏蔽体外部。
2．设计要点
（1）屏蔽板靠近受保护物，同时接地良好；
（2）屏蔽板的形状对屏蔽效能的高低有明显影响，全封闭的金属盒最好，但工程中很难做
到；
（3）电场屏蔽以反射为主，以良导体为好，屏蔽体的厚度不宜过大，而以结构强度为主要
考虑因素。
10-3-2
磁场屏蔽 磁场屏蔽通常是指对直流的屏蔽，其效果比电场屏蔽和电磁场屏蔽要差得多。
1．屏蔽机理
2．设计要点
对要屏蔽外部强磁场的情况，则屏蔽体的外层选用不易饱和的材料，如硅钢；而内部可选用容易达到饱和的高导磁材料，如坡莫合金等。
10-3-3
电磁场屏蔽 电磁场屏蔽是利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播的一种措施。
1．电磁场屏蔽的机理
（1）当电磁波到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续，对入射波产生反射。这种反射不要求屏蔽材料必须有一定的厚度，只要求交界面上的不连续。
（2）未被表面反射掉而进入屏蔽体的能量，在体内向前传播的过程中，被屏蔽材料所衰减，也就是所谓的吸收。
（3）在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量，传到材料的另_一表面时，遇到金属一空气阻抗不连续的交界面，会形成再次反射，并重新返回屏蔽体内。这种反射在两个金属的交界面上可能有多次的反射。
总之，电磁屏蔽体对电磁的衰减，主要是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而消除高频磁场干扰的。如果屏蔽体不完整，则涡流的效果降低，导致电磁场泄漏，屏蔽效果将大打折扣。
2．结构材料
10-3-4
搭接
1．在底板和机壳的每一条缝隙和不连续处要尽可能好地搭接。保证接缝处金属对金属的接触，以防止电磁能的泄漏和辐射。
2．在可能的情况下，接缝应焊接；在条件受限制的情况下，可用点焊、小间距的铆接和用螺钉来固定。
3．在不加导电衬垫时，螺钉间距一般应小于最高工作频率的1％，至少不大于l／20波长。
4．接缝不平整的地方或可移动的面板处，必须使用导电衬垫或指形弹簧材料。
5．选择高导电率的和弹性好的衬垫。选择衬垫时要考虑结合处使用的频率。6．当需要活动接触时，使用指形压簧，并要注意保持弹性指簧的压力。
7．导电橡胶衬垫用在铝金属表面时，要注意电化腐蚀作用。纯银填料的橡胶将出现最严重的电化腐蚀。银镀铝填料的导电橡胶是盐雾环境下用于铝金属配合表面的最好衬垫材料。
10-3-5
穿透和开口
1．要注意由于电缆穿过机壳使整体屏蔽效能降低的程度。典型的未滤波的导线穿过屏蔽体时，屏蔽效能降低30dB以上。
2．电源线进入机壳时，，全部应通过滤波器盒。滤波器的输入端最好能穿出到屏蔽机壳外；若滤波器结构不宜穿出机壳，则应在电源线进入机壳处专为滤波器设置一个隔离舱。信号线、控制线进～穿出机壳时，要通过适当的滤波器。具有滤波插针的多芯连接
器适于这种场合使用。
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