PCB板中的EMC设计

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PCB板中的EMC设计应是任何电子器件和系统综合设计的一部分,它远比试图使产品达到EMC的其他方法更节约成本。电磁兼容设计的关键技术是对电磁干扰源的研究,从电磁干扰源处控制其电磁发射是治本的方法。控制干扰源的发射,除了从电磁干扰源产生的机理着手降低其产生电磁噪声的电平外,还需广泛地应用屏蔽(包括隔离)、滤波和接地技术。

EMC的主要设计技术包括电磁屏蔽方法、电路的滤波技术以及应特别注意的接地元件搭接的接地设计。

一、PCB板中的EMC设计金字塔
如图9-4所示为器件和系统EMC最佳设计的推荐方法,这是一个金字塔式图形。
首先,优秀的EMC设计的基础是良好的电气和机械设计原则的应用。这其中包括可靠性考虑,比如在可接受的容限内设计规范的满足、好的组装方法以及各种正在开发的测试技术。

一般来说,驱动当今电子设备的装置要安装在PCB上。这些装置由具有潜在干扰源以及对电磁能量敏感的元件和电路构成。因此,PCB的EMC设计是EMC设计中的下一个最重要的问题。有源元件的位置、印制线的走线、阻抗的匹配、接地的设计以及电路的滤波均应在EMC设计时加以考虑。一些PCB元件还需要进行屏蔽。

再次,内部电缆一般用来连接PCB或其他内部子组件。因此,包括走线方法和屏蔽的内部电缆EMC设计对于任何给定器件的整体EMC来说是十分重要的。



在PCB的EMC设计和内部电缆设计完成以后,应特别注意机壳的屏蔽设计和所有缝隙、穿孔和电缆通孔的处理方法。
最后,还应着重考虑输入和输出电源以及其他电缆的滤波问题。

二、电磁屏蔽
屏蔽主要运用各种导电材料,制造成各种壳体并与大地连接,以切断通过空间的静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合形成的电磁噪声传播途径,隔离主要运用继电器、隔离变压器或光电隔离器等器件来切断电磁噪声以传导形式的传播途径,其特点是将两部分电路的地线系统分隔开来,切断通过阻抗进行耦合的可能。

屏蔽体的有效性用屏蔽效能(SE)来表示(如图9-5所示),屏蔽效能的定义为:


电磁屏蔽效能与场强衰减的关系如表9-1所列。



屏蔽效能越高,每增加20dB的难度越大。民用设备的机箱一般仅需要40dB左右的屏蔽效能,而军用设备的机箱一般需要60dB以上的屏蔽效能。
具有较高导电、导磁特性的材料可以作为屏蔽材料。常用的屏蔽材料有钢板、铝板、铝箔、铜板、铜箔等。随着对民用产品电磁兼容性要求的严格化,越来越多的厂家采取在塑料机箱上镀镍或铜的方法来实现屏蔽。

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三、滤波
滤波是在频域上处理电磁噪声的技术,为电磁噪声提供一低阻抗的通路,以达到抑制电磁干扰的目的。切断干扰沿信号线或电源线传播的路径,与屏蔽共同构成完善的干扰防护。例如,电源滤波器对50Hz的电源频率呈现高阻抗,而对电磁噪声频谱呈现低阻抗。

按照滤波对象的不同,滤波器分为交流电源滤波器、信号传输线滤波器和去耦滤波器。按照滤波的频带,滤波器可以分为低通、高通、带通、带阻四类滤波器。



四、电源、接地技术
无论是信息技术设备还是无线电电子、电气产品,都要有电源供电。电源有外电源和内电源之分,电源是典型的也是危害严重的电磁干扰源。如电网的冲击,尖峰电压可高达千伏以上,会给设备或系统带来毁灭性的破坏。另外,电源干线是多种干扰信号侵入设备的途径。因此,电源系统,特别是开关电源的EMC设计,是部件级设计的重要环节。其措施多种多样,诸如供电电缆直接从电网总闸引出,电网引出的交流经稳压、低通滤波、电源变压器绕组间的隔离、屏蔽以及浪涌抑制和过压过流保护等。

接地包括接地、信号接地等。接地体的设计、地线的布置、接地线在各种不同频率下的阻抗等,不仅涉及产品或系统的电气安全,而且关联着电磁兼容和其测量技术。

良好的接地可以保护设备或系统的正常操作以及人身安全,可以消除各种电磁干扰和雷击等。所以接地设计是非常重要的,但也是难度较大的课题。地线的种类很多,有逻辑地、信号地、屏蔽地、保护地等。接地的方式也可分单点接地、多点接地、混合接地和悬浮地等。理想的接地面应为零电位,各接地点之间无电位差。但实际上,任何“地”或接地线都有电阻。当有电流通过时,就会产生压降,使地线上的电位不为零,两个接地点之间就会存在地电压。当电路多点接地,并有信号联系时,就将构成地环路干扰电压。因此,接地技术十分讲究,如信号接地与电源接地要分开,复杂电路采用多点接地和公共地等。
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