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一、PCB干扰防止设计的概要
PCB的有效干扰防止设计是电子产品设计的重要环节，影响电路动作的可靠性和稳定性。本文分析了电路基板存在电磁干扰的主要原因，从电路基板的选择、电路基板元件的布局、电源和地面的配线、信号线的配线等，PCB设计时有效地抑制电磁干扰？总结了防止的措施和原则。
印刷电路板（通称PCB）是电子产品中的电路元件的载体，提供各电路元件之间的电气连接，是各种电子设备的最基本的构成部分，其性能与电子设备的质量好坏直接相关。随着信息化社会的发展和电子技术的发展，电路集成度越来越高，电路板尺寸越来越小，电路板上的元件密度越来越高，电子产品运行速度越来越快由于其自身的电磁干扰问题和兼容性的问题看起来更加突出，如何减少PCB板的电磁干扰成为现在的电子技术的话题。一个电路板的电磁兼容性的问题是电子系统能否正常工作的关键，为了影响电路或系统的动作的可靠性和稳定性，必须在进行PCB设计时有效地解决电磁干扰问题。
本文分析了现代智能高速电子系统中电路板电磁干扰的原因，总结了PCB设计时应考虑的降低电磁干扰的措施和原则。
二、电路板电磁干扰的原因
在由开关电源和微处理器构成的高速电子系统中，电路基板的电磁干扰主要由自身存在射频干扰源、元装置、基本电路以及差模以及共模噪声产生。
2.1存在于基板上射频干扰源
在智能高速电子系统中，电路板上的射频干扰源主要来自微处理器电源供给系统和振荡器电路。
（1）微处理器系统
微处理器的射频（RF）噪声发生在芯片内，以许多不同的可能方式耦合到外部，同时存在于所有输入、输出、电源和地面上，是潜在的噪声，并且可能在微处理器的每个引脚上产生问题。最大的问题是微处理器来自输入和输出销（I/O）的噪声。这些噪声主要发生在芯片内的时钟切换中，通过输入/输出销连接到内部和外部的线缆并被辐射，主要表现为短时间脉冲波形干扰。
（2）电源供给系统
电源供应系统包括电源稳压器及其调节器以及微控制器边缘的旁路容量。这些电路是系统中所有射频能量的来源，并且提供芯片中的时序电路所需的开关电流。
（3）振荡器电路
振荡器电路向系统提供高速的时钟信号，在数字系统中振荡器的输出缓冲器是数字，因此，如果将正弦波变换为方波，则在输出侧产生谐波。时钟缓冲器等内部动作中产生的噪声显示在输出端，通过元件结合传播。
2.2其他电磁干扰原因
（1）贴片设备和通孔设备
贴片装置SMD由于电抗小且元装置配置在附近，所以在处理射频能量时比引线芯片优秀。通常，通孔元件的导通电容以约80MHz的速度产生自振荡（从容量到感性）。因此，控制高于80MHz的噪声，并且在设计中采用通孔元件考虑了许多严重问题。
（2）基本电路
从微处理器向其他芯片传输的各边缘跳跃是电流脉冲，电流脉冲流向接收芯片，从接收芯片的接地销流出，然后经由接地线返回微处理器的接地销，构成基本电路。这样的电路存在于电路的各处，噪声电压及其附属电流返回到通过最低阻抗路径产生的位置，并产生影响。一个电路可以是信号线和返回路径、电源和接地之间的旁路、晶体振动和微处理器内的驱动器，或者从电源供给的电压调节器到旁路电容的电路。由于电路的几何面积越大，辐射越强，所以可以通过控制返回路径的形状和阻抗来减少噪声的传播。
（3）差模和共模噪声
差模噪声是通过线路向接收芯片发送信号、沿着返回线路返回时产生的噪声。在两个线路之间存在差分电压，这是各信号为了发挥功能而必然产生的噪声。这种噪声引起的电场强度与频率的平方，电流的大小和电流环路的面积成比例，与从观测点到噪声源的距离成反比。因此，差模减少放射线的方法是降低电路的工作频率，减少信号环的面积，降低信号电流的强度。实际工作中最有效的方法是控制信号环的面积。
共模噪声是由信号线和返回线同时传输电压、两者之间没有差分电压、由信号线和返回线共享的阻抗引起的噪声。共模阻抗噪声是大多数基于微处理器的系统中最常见的噪声源。由于该噪声引起的电场强度与频率的大小、电流的大小、电缆的长度成比例，与从观测点到噪声源的距离成反比。作为降低共模辐射的方法，减少了接地阻抗，缩短了线路长度，使用了共模扼流圈。
三、降低电磁干扰PCB设计原则
由于电路板的集成度和信号频率随着电子技术的发展而越来越高，因此不可避免地会产生电磁干扰，因此在设计PCB时，必须遵循以下原则，将电路板的电磁干扰控制在一定范围内，达到设计要求和标准，提高电路整体的性能。
3.1基板的选择
PCB设计的主要任务是适当地选择电路基板的大小，如果尺寸太大，则由于元装置之间的配线太长，所以线路的阻抗值增大，防止干扰能力降低。尺寸太小的话，金属设备的配置会密集，不利于散热，线路太细太密，容易引起串扰。因此，必须根据系统所需的元件的状况选择适当尺寸的电路基板。
电路板分为单面板、双面板和多层PCB板。电路板层数的选择取决于电路实现的功能、噪声指示、信号、网络线路数等。合理的层数设置可以减少电路本身的电磁兼容性问题。
通常的选择原则如下。
当一个信号频率为中低频、部件较少、布线密度低或中等时，选择单个面板或双面板。
2配线密度高、集成度高、零件多时采用多层PCB板；
3信号频率高、高速集成电路、元件密集的4层以上的电路基板。
多层PCB板可在设计时使用独立层作为电源层、信号层和接地层。由于信号电路面积减少，差模辐射减少，多层PCB板能够减少电路基板的辐射，提高干扰防止能力。
3.2电路基板部件的布局
PCB在确定尺寸后，首先确定特殊元件的位置，最后必须基于电路的功能单元对电路的所有元件进行块化配置。数字电路单元、模拟电路单元和电源电路单元应当被分离，高频电路单元和低频电路单元也应当被分离。通常，在配置高速、中速、低速电路的情况下，参照图1排列元装置。在包括时钟、CPU、存储器、控制器和输入/输出电路的结构中，参照图2来排列元设备。常用电路板的布局原则如下。
（1）确定特殊零部件位置的原则：
①发热元件应配置在散热性优秀的位置，例如PCB的边缘部，微处理器远离芯片。
2特殊的高频元件必须邻接配置，缩短他们之间的连接线。
3敏感元件必须远离时钟发生器、振荡器等噪声源。
④电位器、可调电感器、可变电容器、按键开关等可变元件的布局符合机械整体的结构需求，易于调整。
5重量重的零件必须用支架固定。
⑥EMI滤波器要靠近EMI源放置。
（2）电路功能单元配置电路伞部件的原则：
①各功能电路根据之间的信号流确定相应的位置，便于布线。
②各功能电路必须首先确定核心元件的位置，在核心元件周围配置其他元件，尽量缩短元件之间的连接线。
③对高频电路应考虑元件之间的分布参数。
④电路板端部放置的部件必须距离电路板端2mm以上。
⑤DC/DC变换器，开关管和整流器应尽量靠近变压器配置，减少对外辐射。
⑥变压器元件和滤波器电容器应放置在整流二极管附近。
3.3电源和接地的接线原则
PCB电源和接地的配线是否合理是降低电路基板整体的电磁干扰的关键。电源线和地线的设计在PCB中是不可忽视的问题，往往是最难易度高的设计，设计时应遵循以下原则。
（1）电源和接地的接线技术
PCB上的布线具有分布参数的特性，例如阻抗、电抗和电抗。PCB为了减少布线的分布参数对高速电子系统的影响，电源和地的布线原则如下。
为了减少1电容耦合的串扰，增大布线的间隔。
2电源线和地线必须平行划线，使分布容量最佳。
③根据负载电流的大小，尽量增大电源线和地线的宽度，减小环路电阻，并且通过使电源线和地线的各功能电路的方向和信号的传输方向一致，有助于提高干扰防止能力。
④电源和接地应在各自上面直接划线，从而减少电抗使电路面积最小化，尽量使接地线在电源线下行走；
⑤地线越粗越好，一般地线的宽度不小于3mm。
⑥将地线构成闭环路，缩小地线上的电位差值，提高防止干扰能力。
⑦多层PCB板布线设计时，其中一层可以是ldquo。全平面rdquo；因此，可以在降低接地阻抗的同时执行屏蔽作用。
（2）各功能电路的接地技术
PCB各功能电路的接地方式分为单点接地和多点接地。如图3和图4所示，单点接地根据连接形式分为单点串联接地和单点并行接地两种方式。由于各个接地导线的长度不同，所以单点串联接地的各个电路的接地阻抗不同，电磁兼容性降低，经常用于保护接地。由于单点并行接地的各电路有独自的接地线，所以相互间的干扰较小，但是延长接地线，增大接地阻抗，经常用于信号接地、模拟接地、电源接地。如图5所示，多点接地意味着每个电路具有一个接地点。多点接地经常用于高频电路，接地线短，接地阻抗值小，减少高频信号的干扰。
为了减少接地带的干扰，接地也必须满足一定的要求：1接地线尽可能短，接地面大；2避免不必要的接地电路的产生，降低公共接地的干扰电压。3接地原则对于不同的信号采用不同的接地方式，不能将所有的接地设为相同的接地点。④在设计多层PCB中，尽量将电源层和接地层配置在相邻层，在电路上形成层问的容量，减少电磁干扰。⑤尽量避免强电和弱电信号、数字和模拟信号。
（3）配置格栅化平面
对于2层PCB板来说，格栅化是最重要的设计技术。格栅化在PCB上延伸接地线，使用接地填充模式构建与接地连接的网格网络，构成与4层PCB板同样能够降低噪声的有效接地平面。它有两个目的：模仿14层PCB板的地层，并提供每个信号线下方的返回路径。②降低微处理器与电压恒定电压的阻抗。设计时需要注意的原则是，每条地线尽可能地填入印刷电路板的空间。在2层PCB板上尽量放置多的格子。3寸法合适时，尽量使用多个贯通孔，连接最上层和下层的网格。④线路不一定需要直角或相同宽度。
（4）高频解联容量和铁氧体磁珠的使用
在数字电路中，当逻辑门的状态发生变化时，电源产生大的峰值脉冲，形成瞬间的噪声电压。在这种情况下，通常使用解块容量或铁氧体磁珠来限制电流的突然变化并减少辐射。通常，在各芯片的电源和接地之间加上容量约为0.01mu。F～0.1mu;F的高频解耦合电容被布置在靠近芯片的电源线上铁氧体磁珠，并且切断来自电源线的射频电流源。1不是使用铝电解容量，而是采用仰光容量，后者内部电感大。2容量距离芯片越近，解块容量的引线就越不应该太长。③铁氧体磁珠仅用于+V的电源线，不用于接地线。④铁氧体磁珠尽量放在靠近噪声源的位置。
3.4信号线的接线原则
（1）减少线路容量和感性串扰
布线的情况下，在短距离并联布线的线路之间也存在容量和感性串扰。在电容耦合的情况下，源端子上升沿对受害者造成一个上升沿。在感性耦合的情况下，受害者的电压变化与源边缘的变化正好相反。大部分串扰是电容的，噪声的大小与并行距离，频率，源端子电压振幅和受害者的阻抗成比例，与两条线路离开的距离成反比。
因此，用于减少串扰的措施如下。
①将连接到微处理器的具有射频噪声的线路远离其他信号。
②将可能成为噪声受害者的信号的反馈地线走线到其下方。
③请勿在电路板的外缘运行噪声电路。
④可能的话，一起拉几个噪音线路，用地线包围。
⑤接插件将振荡器电路、继电器、继电器驱动器等非噪声电路远离电路板上容易受到噪声的区域。
（2）反馈地线数的合理配置
在计算机产业中，一般的经验是对于电缆或导线中的每9条信号线至少需要一条接地线。高速的情况下，这个比例是5:1。
设计信号线和返回线时可以考虑的原则：
①优选地，电缆内的各信号线具有返回地线，构成双绞线。
②请不要每9条信号线超过1条返回地线。
3电缆超过1英尺时，每4条信号线应该有返回地线。
④如果可能，应将一个实心金属支架用作机械支架，焊接在两个电路板之间，并用作安装支架或可靠的射频反馈地线。
（3）其他接线原则
①用作引线的铜箔在90度的曲线中引线的阻抗不连续，有可能产生反射干扰，因此将90度的引线变更为135度的走线，有助于降低反射干扰的产生。
2双面布线的PCB有利于上下2层的配线垂直交叉，减少结合，抑制干扰。
③在采用隔离走线、必须平行走线的电路布线中，可以考虑在2条信号线上施加1条接地的隔离走线。
④所有线路应尽量沿直流电铺设，尽量避免沿交流铺设。
⑤采用较短的线路，线路无法排列，或只能绕大圈子通过时，干脆使用绝缘ldquo。飞线rdquo；不使用连接、印刷线，或者用电阻元件的引线直接连接。
⑥直流电路必须脱离交流电路配线，分离输入信号线和输出信号线。
⑦为了避免反射干扰或谐波干扰，必须连接从一个元件，使得信号布线没有分支。
⑧为了减少差模放射线，时钟等高频信号线应该靠近地线来布线，以使环面积最小化。
四、PCB抗电磁干扰设计结束语
完全消除电子产品的电磁干扰是不可能的，为了在一定范围内控制电磁干扰只能采取必要的措施，但是良好的印刷电路板设计是减少电磁干扰的重要一环。印刷电路板设计时，可以参考上述设计原则，但这些原则并不是不变的，只有根据具体电路状况灵活应用各种干扰防止方法，才能最大限度满足电磁兼容性的要求，需要设计者平时经验的积累和总结。
