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PCB设计中存在的电磁兼容问题及应对策略分析

发表时间：2021/4/21 来源：《基层建设》2020年第33期作者：朱春阳

[导读] 【摘要】印刷电路板是电子设备中的重要部分，随着信息化社会的发展，多种电子产品兼容运行非常常见，其相互干扰对电子设备产生不利影响。

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        【摘要】印刷电路板是电子设备中的重要部分，随着信息化社会的发展，多种电子产品兼容运行非常常见，其相互干扰对电子设备产生不利影响。为保证电子设备运行安全，需要解决电磁兼容问题。要想发挥印刷电路板电磁兼容性，需要采取有效的技术措施解决。简要介绍电磁兼容相关概念，分析PCB设计中常见电磁兼容问题，提出PCB电磁兼容抗干扰设计策略，保证电子设备安全运行。
        【关键词】PCB设计；电磁兼容；应对策略
        电磁兼容是电子设备产品研发的核心问题，电磁兼容是电力设备正常工作的关键。电子设备产品由多个元件组成，电磁场分布复杂，电力设备载体是印刷电路板PCB，印刷电路板PCB设计中，电磁兼容设计是改善系统性的关键。随着电子芯片技术的发展，PCB元件密度不断提高。电磁兼容性是电子设备研发中需要重点解决的问题，印刷电路板PCB关乎电子设备质量，设计印刷电路板PCB中需要改善电磁兼容性，确保电子系统性能发挥。PCB设计中EMC设计非常重要，探讨PCB电磁兼容设计具有重要意义。通过从元器件选型布局等方面论述PCB电磁兼容如何设计，分析如何抑制电磁干扰。
        1.电磁兼容概述
        国际电工委员会标准IEC定义EMC为系统所处电磁环境中正常工作，不对其他系统干扰。EMC包括电磁干扰与电磁抗扰。电磁兼容性同时存在骚扰发射体与感受体，需要在某特定空间，在一定媒体将发射体与感受体结合。工程师应合理判断消除电磁干扰。良好的电磁兼容性表现为电子系统在特定电磁环境中运行，不影响电子设备功能，不会产生负面影响，各项电子功能并存的状态【1】。只有电子设备摆脱电磁干扰才能确保有效运行。
        飞机上电子设备包括天线系统、雷达系统等，会产生很大的电磁干扰。保证电子设备电磁兼容性，能发挥最大效力，促进各部分平衡稳定。随着汽车智能化发展，智能导航、车联网等电子产品功能不断增加，如出现相互干扰会有安全隐患。电磁兼容对电子设备运行非常重要。军事领域是最早采用先进科技的体现，历史上著名的海湾战争中多个国家采用电子战，战前美军用电子作战飞机对伊拉克电子设备实施干扰，针对伊拉克指挥控制情报系统进行电子战，使伊军出现瘫痪，雷达失灵等现象，面临被动局面。
        2.PCB设计中的电磁兼容问题
        PCB设计中电磁兼容问题应了解产生机理，PCB存在电磁干扰有辐射干扰、传导干扰等。产生干扰根源是电路中电压变换。传导干扰通过导线耦合影响其他电路，如噪音通过电源电路进入系统，使用电源电路受到影响【2】。电路共用使导线获取电源电压与接地回路，如电路电压升高会因共用电源电路阻抗降低。
        辐射干扰由于空间存在电磁波产生辐射对电子设备干扰，PCB辐射干扰原因是电缆与内部走线存在共模电流，传输线电磁波存在场到线的耦合，小电压分解成为差模分量，共模电流是导线振幅差距不大，差模电流是导线存在相等振幅电路相位相反。串音干扰是信号线路干扰临近信号路径，用电路与导体互感表征。串音干扰通常发生在某信号电路临近电路，如PCB上有低电平信号存在某带状线，平行布线长度超12cm产生串音干扰。电场通过互容会引起串音干扰，要分析串音干扰的原因快速解决干扰问题。
        随着人类社会的不断发展，人们广泛运用电气化技术，电磁兼容技术发展导致设备系统间相互关系问题，要促使电磁兼容技术更好地发展，以往主要通过抑制通信系统无线电磁波产生干扰解决，当前电磁兼容技术涉及到交通运输电气设备，如电控大门等，电磁兼容技术存在很多问题，如飞机飞行中不允许使用手机，坐火车时手机处于无信号状态。中国电磁兼容技术起步较晚，自我国加入WTO后发现电磁兼容技术的重要性，每年举办电磁兼容技术学术研讨会，促进电磁兼容技术的发展。
        3.电子设备结构设计中电磁兼容问题问题分析
        电子设备运行中受到内外部干扰，需要提高设计水平，充分发挥设备的作用。内部元器件相互作用对设备运行产生不利影响，元器件发生漏电现象引起干扰，导线出现互感现象引起内部干扰，公共地线汇集电流，出现电压降低现象【3】。外部电源出现绝缘漏电现象，功率大的外部设备产生较强磁场，外部空间电磁干扰电子设备运行，导致设备参数改变。电子设备结构中，操作人员综合技能不高，导致电子设备出现故障。

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        电子设备结构复杂，由屏蔽系统等组成综合设备，随着技术创新发展，功能更加多元化，忽视设计管理工作会导致出现故障，引发安全事故。电子设备常见故障包括PCB设计、滤波设计等方面。PBC设计尺寸不合理，PCB板布局设计不到位，制约电磁兼容性能的提升。组合体间电接触设计不合理，设备机箱缝隙屏蔽设备设计不到位，难以提升电子设备的抗干扰性能。设计中忽视对设备性能的考虑，导致出现电磁干扰现象。接地点位置不合理，电路组合接地方案不科学，降低接地设计水平。
        电磁兼容性是设备系统在共同电磁环境中执行功能的共存状态，电子设备电磁干扰主要原因是论证考虑不全面，工程设计不完善【4】。技术方案与关键技术攻关是论证工作的核心优势，立项时忽视系统电磁干扰管理的要求会留下安全隐患。频谱分配是电磁兼容管理的频域管理，包括功率管理等是系统电磁兼容特定的顶层规划内容。工程设计不完善问题有多方面原因，包括微观技术手段不完善，宏观设计思路不科学等，及总系统设计及单体设计横向协调不够等。
        4.PCB设计中电磁兼容问题的应对策略
        印制电路板PCB电磁兼容设计主要考虑电磁抗扰，需要对源头干扰采用抑制措施，电磁抗扰需要采用有效措施将干扰导入大地，需要同时考虑电磁干扰与电抗干扰，保证PCB电磁兼容可靠性。为解决PCB设计中的电磁兼容问题，需要注重元器件类型选择合理布局，实施必要的抗干扰设计。
        电路板主要包括单层板与多层板。电路板电源不同，板级工作频率不同，对电路板性能指标有不同的要求，可选择不同层数的电路板，需要将专门电源层设置好，回路面积最小化，线路板有更强的抗干扰能力【5】。选择电容时不宜选用自查式电容，旁路电容在电容器自谐振频率计算时可以发挥时钟速度作用获得结果，可以将电路中的容抗作为依据选择电容值，要选择基于表面组装技术的电容器，不宜选择通孔式电容器。旁路电容发挥作用是满足电源模块瞬态电源要求，PCB板上瞬态电流决定于电容值，PCB板上集成电路较多，使用电源为长引线需要采用大容量电容。
        在配置去耦电容时集成电路芯片有0.01PF的陶瓷电容，RAM存储器件需要将去耦电容连接在芯片电源线，电容引线长度要适当，互补金属氧化物半导体有很高的的输入阻抗，运行中不用端需要接地处理。发热元件与关键集成电路要保持较远距离，最好在偏上方位置；敏感器件与CPU时钟发生器要保持较远距离，电源铜箔上蚀刻出Ω形，不能从两侧将I/O电缆引出，引线超过噪声频率波长，会产生天线效应，印制电路板高速器件要缩短。I/O驱动器需要靠近连接器，避免造成信号干扰。
        在设计电源线时布线缺乏合理性会影响产品性能发挥。布设电源线要将去偶电容加在电源线间，加大电源线宽度，电源线比信号线宽，信号线宽度为1.2mm，设计地线时数字模拟地不能放一起，对低频电路接地需要采用单点并联方式，部分线路可以采串联方式接地。高频电路可以用多点串联接地方式，高频元件接地线要加粗，接地线直径超过3mm。电流发生变化时接地电位发生变化，加粗接地线可以影响抗噪性能。
        结语
        电子设备运行中受到所处环境等因素影响，如未及时处理相应故障会影响作业进行。应针对性采取措施控制排除故障，促进电子设备有效运行。PCB设计抗干扰是实践性强的工作，印制电路板PCB设计中要处理好抗干扰问题，需要应用相应理论结合实际，要求设计PCB人员具备电子兼容知识，优化PCB设计抑制干扰，确保系统运行安全可靠。
        参考文献
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        [2]库尔班江•麦麦提吐尔逊. 电磁兼容问题研究[C]. 教育部基础教育课程改革研究中心.2018年“教育教学创新研究”高峰论坛论文集.教育部基础教育课程改革研究中心:教育部基础教育课程改革研究中心,2018:229.
        [3]朱华进.舰载通信装备电磁兼容问题及对策[J].电子技术与软件工程,2017(07):31-32.
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        [5]邱秀凤,李惠,吕潇锐.浅析手机电磁兼容问题分析及其改进对策[J].电子世界,2016(14):143.