PCB设计中的电磁兼容性考虑

MC考虑

对于高速PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）设计中EMI问题，通常有两种方法解决：一种是抑制EMI的影响，另一种是屏蔽EMI的影响。这两种方式有很多不同的表现形式，特别是屏蔽系统使得EMI影响电子产品的可能性降到了最低。

射频（RF）能量是由印制电路板（PCB）内的开关电流产生的，这些电流是数字元件产生的副产品。在一个电源分配系统中每一个逻辑状态的改变都会产生一个瞬间的电涌，大多数情况下，这些逻辑状态的改变不会产生足够的接地噪声电压造成任何功能性的影响，但当一个元件的边沿速率（上升时间和下降时间）变得相当快的时候便会产生足够的射频能量影响其他的电子元件的正常工作。

3.1 PCB上电磁干扰产生的原因

不适当的做法通常会在PCB上引起超出规范的EMI。结合高频信号的特性，与PCB级的EMI相关的主要包括以下几个方面：
　　（1）封装措施使用不适当。如应该用金属封装的器件却用塑料封装。
　　（2）PCB设计不佳，完成质量不高，电缆与接头的接地不良。
　　（3）不适当甚至错误的PCB布局。

包括时钟和周期信号走线设定不当；PCB的分层排列及信号布线层设置不当；对于带有高频RF能量分布成分的选择不当；共模与差模滤波考虑不足；接地环路引起RF和地弹；旁路和去耦不足等等。

要实现系统级的EMI抑制，通常需要一些适当的方法：这主要包括屏蔽、衬垫、接地、滤波、去耦、适当布线、电路阻抗控制等。

3.2 电磁兼容的屏蔽设计

现今的电子产业界已愈来愈注意到SE/EMC（Shielding Effectiveness，SE，隔离室屏蔽效益）的需求，而随着更多电子组件的使用，电磁兼容性亦更受到关切。电磁屏蔽就是以金属隔离的原理来控制电磁干扰由一个区域向另一个区域感应和辐射传播电方法。通常包括两种：一种是静电屏蔽，主要用于防止静电场和恒定磁场的影响；另一种是电磁屏蔽，主要用于防止交变电场、交变磁场以及交变电磁场的影响。

EMI屏蔽可使产品简单且有效的符合EMC的规范，当频率在10MHz以下时电磁波大多为传导的形式，而较高频率的电磁波则多为辐射的形式。设计时可以采用单层实心屏蔽材料、多层实心屏蔽材料、双重屏蔽或者双重以上屏蔽等新型材料进行EMI屏蔽。对于低频的电磁干扰需要用厚的屏蔽层，最合适的是使用磁导率高的材料或磁性材料，如镍铜合金等，以获得最大的电磁吸收损耗，而对于高频电磁波可使用金属屏蔽材料。

在实际的EMI屏蔽中，电磁屏蔽效能很大程度上取决于机箱的物理结构，即导电的连续性。机箱上的接缝以及开口都是电磁波的泄漏源。而且，穿过机箱的电缆也是造成屏蔽效能下降到主要原因。机箱上开口的电磁泄漏与开口的形状、辐射源的特性和辐射源到开口处的距离相关。通过适当地设计开口尺寸和辐射源到开口的距离能够改善屏蔽效能。通常解决机箱缝隙电磁泄漏的方式是在缝隙处用电磁密封衬垫。电磁密封衬垫是一种导电的弹性材料，它能够保持缝隙处的导电连续性。常见的电磁密封衬垫有：导电橡胶（在橡胶中掺入导电颗粒，使这种复合材料既具有橡胶的弹性，又具有金属的导电性。）、双重导电橡胶（它不是在橡胶所有部分掺入导电颗粒，这样获得的好处是既最大限度地保持了橡胶的弹性，又保证了导电性）、金属编织网套（以橡胶为芯的金属编织网套）、螺旋管衬垫（用不锈钢、铍铜或镀锡铍铜卷成的螺旋管）等。另外，当对通风量要求比较高时，必须使用截至波导通风板，这种板相当于一个高通滤波器，对高于某一频率的电磁波不衰减通过，但对于低于这一频率的电磁波则进行很大的衰减，合理应用截至波导的这种特性可以很好的屏蔽EMI的干扰。

3.3 电磁兼容的合理PCB设计

随着系统设计复杂性和集成度的大规模提高，电子系统设计师们正在从事100MHZ以上的电路设计，总线的工作频率也已经达到或者超过50MHZ，有的甚至超过100MHZ。当系统工作在50MHz时，将产生传输线效应和信号的完整性问题；而当系统时钟达到120MHz时，除非使用高速电路设计知识，否则基于传统方法设计的PCB将无法工作。因此，高速电路设计技术已经成为电子系统设计师必须采取的设计手段。只有通过使用高速电路设计师的设计技术，才能实现设计过程的可控性。

通常认为如果数字逻辑电路的频率达到或者超过45MHZ~50MHZ，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个电子系统一定的份量（比如说１／３），就称为高速电路。实际上，信号边沿的谐波频率比信号本身的频率高，是信号快速变化的上升沿与下降沿（或称信号的跳变）引发了信号传输的非预期结果。要实现符合EMC标准的高频PCB设计，通常需要采