印制電路板的電磁兼容問題
印制電路板（PCB）易于制造，性能可靠，價(jià)格便宜，因此廣泛地應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，印制電路板上微處理器和邏輯電路中的（時(shí)鐘）速率越來越快，信號(hào)的上升/下降時(shí)間越來越短，同時(shí)，板上器件密度和布線密度不斷增加，印制電路板的電磁兼容問題變得日益突出。
在電磁兼容層面分析印制電路板，要考慮三個(gè)基本問題：
● 保證信號(hào)在板上可靠地傳輸，確保信號(hào)的完整性（Signal Integrity);
● 抑制電磁干擾(EMI)的傳播;
● 加強(qiáng)防護(hù)，防止因?yàn)榭箶_度不足引起靈敏度故障(Susceptibility Failure)。
對(duì)于相對(duì)低頻的信號(hào)(信號(hào)的頻譜上限為100MHz) ，通?？梢圆豢紤]上述的問題。 但是當(dāng)信號(hào)波長(zhǎng)(λ)與信號(hào)線長(zhǎng)度(l)可相互比擬時(shí)(l≥0.1λ) ，就需要考慮印制線的幾何尺寸，布線，線間間隔以及傳輸信號(hào)的上升，下降時(shí)間，脈沖寬度與周期等因素，以致需要用傳輸線理論(在某些場(chǎng)合需要用微波理論)來正確地分析信號(hào)的傳播。
印制電路板上的印制線通常可以用微帶線或帶狀線模型來模擬。微帶線模型由介質(zhì)基片一邊的導(dǎo)體帶和基片另一邊的金屬接地板構(gòu)成，它可用來模擬PCB 表面層的印制導(dǎo)線。帶狀線模型由上下接地導(dǎo)體和中間導(dǎo)體帶構(gòu)成，接地板和導(dǎo)體帶之間是絕緣介質(zhì)，它可以模擬多層PCB中間層的印制導(dǎo)線。
1 信號(hào)完整性
PCB上的信號(hào)完整性問題主要包括時(shí)延，阻抗不匹配，地彈跳(Ground Bounce) ，串音等。信號(hào)完整性問題會(huì)影響電子器件的穩(wěn)定工作。
1) 信號(hào)時(shí)延:對(duì)于高頻信號(hào)，傳輸時(shí)延應(yīng)該是電路設(shè)計(jì)者考慮的*基本的問題之一。傳輸時(shí)延與信號(hào)線的長(zhǎng)度，信號(hào)傳輸速度的關(guān)系如下:
式中:c 真空中的光速；εreff 有效的相對(duì)電導(dǎo)率；lp信號(hào)線的長(zhǎng)度。
εreff與傳輸線周圍介質(zhì)有關(guān),對(duì)于微帶傳輸線來說, εreff介于板的相對(duì)電導(dǎo)率與空氣相對(duì)電導(dǎo)率之間,在大多數(shù)系統(tǒng)中,信號(hào)傳輸線長(zhǎng)度是影響時(shí)鐘脈沖相位差(clock skew)的*直接因素.時(shí)鐘脈沖相位差是指同時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào),到達(dá)接收端的時(shí)間不同步,時(shí)鐘脈沖相位差降低了信號(hào)沿到達(dá)的可預(yù)測(cè)性,如果時(shí)鐘脈沖相位差太大,會(huì)在接收端產(chǎn)生錯(cuò)誤的信號(hào),如圖1所示.傳輸線時(shí)延已經(jīng)成為時(shí)鐘脈沖周期(Clock Cycle)中的重要部分。
圖1 傳輸時(shí)延對(duì)信號(hào)地影響
2) 阻抗不匹配:阻抗不匹配可以由驅(qū)動(dòng)源，傳輸線和負(fù)載的阻抗不同引起，也可由傳輸線的不連續(xù)(例如導(dǎo)通孔，短截線)引起，另外由于返回路徑上局部電感，電容的變化，返回路徑不連續(xù)也會(huì)導(dǎo)致阻抗不連續(xù)。這種阻抗的不匹配，會(huì)導(dǎo)致反射和阻尼振蕩。反射會(huì)引起信號(hào)的振鈴(Ringing)現(xiàn)象，即在穩(wěn)態(tài)信號(hào)上下產(chǎn)生的電壓過沖和下沖現(xiàn)象，如圖2 所示。為了將電壓的過沖/下沖限制在合理的范圍內(nèi)(不超出穩(wěn)態(tài)值的10%-15%) ，應(yīng)該遵循下面這樣一個(gè)原則：信號(hào)的上升時(shí)間要小于信號(hào)在印制導(dǎo)線上來回引起的傳輸時(shí)延。即：
tr≤2lp/tppd
式中:tr 指信號(hào)的上升時(shí)間；lp 信號(hào)線的長(zhǎng)度；tppd 信號(hào)線單位長(zhǎng)度引起的延時(shí)。
振鈴現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致誤觸發(fā)，為了消除振鈴現(xiàn)象的影響，方法之一就是等待信號(hào)穩(wěn)定下來，但這又會(huì)減小系統(tǒng)*大可能的時(shí)鐘速率。
圖2 反射引起的振鈴現(xiàn)象
3) 地彈跳(Ground Bounce):所謂地彈跳，是指在某一集成電路開關(guān)時(shí)，由于PCB 的地線以及集成電路的接地引線具有一定的電感，相應(yīng)會(huì)引起器件內(nèi)部地電位短暫的沖擊或下降。而來自其它器件的輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)，或者由此器件輸出信號(hào)所驅(qū)動(dòng)的其他器件，都是以外部系統(tǒng)地為參考的。這種參考地電位的不一致，可能會(huì)導(dǎo)致器件的輸入門檻或輸出電平的改變，從而給高速PCB 的設(shè)計(jì)帶來問題。對(duì)于電源來說，也存在類似的問題。
4) 串音:通?？煞譃閮刹糠?，即公共阻抗耦合和電磁場(chǎng)耦合。公共阻抗耦合是因?yàn)椴煌盘?hào)共用公共返回路徑引起的，這種耦合通常在低頻時(shí)起決定作用。電磁場(chǎng)耦合又可分為電感耦合與電容耦合。串音屬于近場(chǎng)問題，在PCB上，串音與線的長(zhǎng)度，線的間距，線中傳輸信號(hào)的方向以及參考地平面的狀況有關(guān)。例如地平面上的裂縫(Split)會(huì)使跨越裂縫的鄰近線路的串音增加，引起信號(hào)波形畸變。
2 減小傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射
電磁干擾問題主要包括傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射問題。電磁兼容中所謂的發(fā)射，是指"從源向外發(fā)出電磁能的現(xiàn)象"，與一般通信領(lǐng)域中人為的向外發(fā)射電磁波不同，PCB 中的發(fā)射常常是無意的。輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)通常覆蓋30MHz-1GHz的范圍，在不久的將來將擴(kuò)展至5-40GHz。對(duì)于傳導(dǎo)發(fā)射，F(xiàn)CC將范圍限制在0.45-30MHz ，而CISPR 將下限延伸0.15MHz。
濾波是抑制傳導(dǎo)發(fā)射的一種重要方法。對(duì)離開PCB 板的信號(hào)線進(jìn)行濾波，可以抑制傳導(dǎo)發(fā)射的傳播。
高頻時(shí)，PCB 上的印制線就像一個(gè)單極天線(Mono-pole Antennas)或環(huán)形天線(Loop Antennas) ，向外輻射能量。輻射發(fā)射可以分為兩種基本類型:差模輻射和共模輻射。
差模輻射是由于閉合環(huán)路中的電流(即所謂的差模電流)引起的。輻射的強(qiáng)度與環(huán)的面積，電流的大小及頻率的平方成正比。通過減小上述因素，尤其是頻率，可以減小輻射的強(qiáng)度。另外，環(huán)的輻射具有方向性，一個(gè)小電流環(huán)的電場(chǎng)輻射值在環(huán)所處的平面上*大，而在環(huán)的軸向上*小。
共模輻射是由寄生效應(yīng)，例如地線層，電源層或電纜上的感應(yīng)電流(所謂的共模電流)引起的。共模輻射與一個(gè)單極天線類似，輻射的強(qiáng)度與單位線長(zhǎng)中的電流及頻率有關(guān)，但對(duì)方向不敏感。
由于差模電流產(chǎn)生的輻射是相減的，而共模電流產(chǎn)生的輻射是相加的，所以即使共模電流比差模電流小的多，也會(huì)產(chǎn)生程度相當(dāng)?shù)妮椛鋱?chǎng)。例如，長(zhǎng)為1m的電纜，其中間距為1.2mm的兩導(dǎo)線中流有30MHz,20mA的差模電流，會(huì)在3m外產(chǎn)生100uV/m輻射電場(chǎng)，而對(duì)共模電流來說，只需要8uA的電流就能產(chǎn)生同樣程度的輻射。 在進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)分析時(shí)，必須考慮共模輻射。
3 加強(qiáng)防護(hù)
防護(hù)的強(qiáng)度，隨產(chǎn)品的用途而定。對(duì)于無關(guān)緊要的電子產(chǎn)品，就不需要專門的防護(hù)。而對(duì)于**的電子產(chǎn)品及用于電廠與電網(wǎng)控制的電子設(shè)備，就需要加以*高等級(jí)的防護(hù)，因?yàn)榧词故窃跇O端情況下，也要保證這些設(shè)備能正常工作。
4 結(jié)論
在設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)，必須考慮電磁兼容問題，以確保設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)。在高頻時(shí)，簡(jiǎn)單的電路模擬可能不再適用，而需要用傳輸線理論或微波理論來分析遇到的問題。