10．1．3 印刷電路板中的電磁兼容問題及防治措施
電子產(chǎn)品越來越趨向高速、寬帶、高靈敏度、高密度和小型化，這種趨勢導(dǎo)致了EMC問題更加嚴(yán)重。高速數(shù)字電路PCB是一個(gè)典型的代表，PCB的電磁兼容問題是目前高速PCB設(shè)計(jì)中急待解決的技術(shù)難題。
電磁兼容的防治是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,應(yīng)該在設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、使用與維護(hù)的各階段都予以充分的考慮和實(shí)施。科學(xué)而先進(jìn)的電磁兼容工程管理是有效控制技術(shù)的重要組成部分。
電磁兼容對設(shè)備的要求有兩個(gè)方面：一是設(shè)備工作時(shí)不會對外界產(chǎn)生不良的電磁干擾影響；另一個(gè)是不能對外界的電磁干擾過度敏感。前一方面的要求稱為干擾發(fā)射(EMI)要求，后一個(gè)方面的要求稱為敏感度(EMS)或抗擾度要求。對設(shè)備的電磁兼容要求。可以進(jìn)一步分為傳導(dǎo)發(fā)射、輻射發(fā)射、傳導(dǎo)敏感度(抗擾度)、輻射敏感度(抗擾度)。
1．電磁兼容問題
（1）印刷電路板中帶狀線、電線、電纜間的串音和電磁耦合
印刷電路板中帶狀線、電線、電纜間的串音是印刷電路板中存在的最難克服的問題之一。這里所說的串音是較廣意義上的串音，不管其源信號是有用信號還是噪聲，串音用導(dǎo)線的互容和互感來表示。當(dāng)在EMC預(yù)測和解決EMI問題時(shí)，首先應(yīng)確定發(fā)射源的耦合途徑是傳輸?shù)摹⑤椛涞?、還是串音的。例如，當(dāng)PCB第一條帶狀線上載入控制和邏輯電平，與其靠近的第二條帶狀線上載有低頻信號，且平行布線長度超過10cm時(shí)，預(yù)期產(chǎn)生串音干擾。當(dāng)一長電纜載入幾組串行或并行高速數(shù)據(jù)和遙控線時(shí)，串音干擾就成為主要問題?？拷碾娋€和電費(fèi)之間的串音是由電場通過互容，磁場通過互感引起的。
當(dāng)考慮在PCB帶狀線、電纜中導(dǎo)體或靠近的電線和電纜的串音問題時(shí)，最主要的是確定電場（互容）耦合和磁場（互感）耦合哪個(gè)是主要的。確定哪種耦合模型主要取決于線路阻抗、頻率和其它因素。對線路阻抗，大致的原則是：
①當(dāng)源阻抗和接收阻抗乘積小于9×104（Ω）時(shí)，耦合主要是磁場；
②當(dāng)源阻抗和接收阻抗乘積大于106（Ω）時(shí)，耦合的主要是電場；
③當(dāng)源阻抗和接收阻抗乘積大于9×104～106（Ω）之間時(shí)，則磁場或電場都可能成為耦合，這時(shí)取決于線路間的配置和頻率。
然而，上述標(biāo)準(zhǔn)并不是適用于所有的情況，例如在地（底）板上PCB帶狀線之間的串音，這時(shí)，PCB上帶狀線的特性阻抗可能較低，而負(fù)載和源阻抗可能較高，但串音仍以電場（互容）為主。
一般來說，在高頻時(shí)電容耦合是主要的，但如果源阻抗或接收器之一或兩者都采用屏蔽電纜并在屏蔽層兩端接地，則磁場耦合將是主要的。另外，低頻一般有較低的電路阻抗，電感耦合是主要的。
串音預(yù)測計(jì)算程序是計(jì)算機(jī)輔助PCB設(shè)計(jì)軟件中的重要內(nèi)容，通過串音預(yù)測，可以保證PCB上數(shù)字和模擬信號適當(dāng)?shù)拈g距。編制U WAVE SPICKE 程序可預(yù)測串音、延時(shí)和振蕩。該程序可能定幾層PCB布置的電壓和脈沖上升時(shí)間。
對于電磁耦合預(yù)測，當(dāng)導(dǎo)體之間或信號導(dǎo)體與返回導(dǎo)體（可以是地平面）之間的距離較大時(shí)，采用電流元和電流環(huán)的發(fā)射和接收特性進(jìn)行耦合預(yù)測更為精確。例如PCB上帶狀線端接高電阻并遠(yuǎn)離地平面時(shí)，用電流元模擬電場和磁場的發(fā)射特性更為方便。當(dāng)帶狀線形成環(huán)路時(shí)，無論是圓形還是矩形，都可用環(huán)的接收和發(fā)射特性模擬。當(dāng)兩環(huán)在同塊PCB表面時(shí)，則為共同耦合。當(dāng)一環(huán)在一塊PCB上面，另一環(huán)在附近另一塊PCB上時(shí)，則為共軸耦合。
（2）數(shù)字電路PCB使電子產(chǎn)品的電磁輻射加重
計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備的電路一般都是用數(shù)字電路PCB實(shí)現(xiàn)的，在很多情況下，數(shù)字電路PCB產(chǎn)生的輻射問題要比模擬電路PCB更嚴(yán)重。
由于數(shù)字電路的驅(qū)動電流較大，致使輻射的強(qiáng)度也較大；而高速時(shí)鐘脈沖和數(shù)字信號又使得輻射頻帶加寬，由于時(shí)鐘電路產(chǎn)生的信號一般都是周期方波，其諧波分量都是以基頻為倍頻的分立頻譜，因而，時(shí)鐘電路的輻射頻譜也都是分立的。而數(shù)字化的信息信號一般都是非周期信號，其輻射頻譜將是窄帶與寬帶兩種輻射的疊加，頻率可從幾兆赫到數(shù)百兆赫，如此寬的輻射頻率范圍，不可避免地會引起一系列EMI和TEMPEST 問題。
PCB電磁輻射分兩種基本類型：差模輻射與共模輻射。差模輻射的特點(diǎn)取決于閉合環(huán)路中電流特性；共模輻射由對地的干擾(噪聲)電壓引起。目前的文獻(xiàn)中對共模輻射討論較少，但實(shí)際PCB或電路并非都是由單根或回路軌跡組成，而且即使是并行電路軌跡的電流也并非相等，所以在分析輻射問題時(shí)，只考慮差模電流的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須考慮軌跡中所有電流的作用，同時(shí)因?yàn)椴钅ｋ娏鞯妮椛涫窍鄿p的，而共模電流的輻射則是相加的。所以共模電流即使比差模電流小很多，也會產(chǎn)生相當(dāng)程度的輻射電場。
電磁輻射主要表現(xiàn)在：對周圍的電子系統(tǒng)構(gòu)成窄帶與寬帶干擾；另一方面造成潛在的信息泄漏問題。
影響PCB電磁輻射的因素主要是PCB的結(jié)構(gòu)和激勵因素：PCB的結(jié)構(gòu)不同，其輻射效果也不同，傳輸帶的長度、回路面積、地線走向、整體布局等都會影響到輻射效果。除結(jié)構(gòu)外，激勵因素比如幅值、周期、脈沖寬度、上升與下降時(shí)間、頻率等，也都是影響輻射效果及頻率特性的重要因素。顯然，PCB的布局設(shè)計(jì)將直接關(guān)系到整機(jī)電磁輻射的強(qiáng)弱。在確定的激勵狀態(tài)下，整機(jī)系統(tǒng)輻射水平的抑制和降低，必須從PCB的輻射分析及布局的優(yōu)化設(shè)計(jì)著手。
目前，有不少文獻(xiàn)對PCB的輻射問題進(jìn)行討論，提出PCB輻射的簡化計(jì)算方法和測試手段。然而，由于結(jié)構(gòu)參數(shù)與激勵參數(shù)的差異，PCB的輻射問題木可能像用電路那樣，用一種模型就可以分析解決。比如：電偶極子和磁偶極子的輻射模型只有在電路長度小于波長和測試點(diǎn)距離的情況下才能適用。另外，對一塊PCB來說，眾多的線路和回路是潛在的輻射源。所以PCB的整體輻射效果應(yīng)是各輻射單元輻射效果的疊加，總體輻射作用的大小主要與頻率、輻射源長度或面積、激勵強(qiáng)度、方位等因素有關(guān)；此外，布線結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)對降低PCB輻射也具有關(guān)罐的作用。
消除輻射干擾最有效的方法是采取屏蔽，屏蔽噪聲源或屏蔽敏感電路。除屏蔽方法外，還可以通過改變電路設(shè)計(jì)來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
從TEMPEST意義上講，凡與串行數(shù)據(jù)和信息相關(guān)的PCB，其輻射水平都應(yīng)設(shè)法降低到最低點(diǎn)，對并行數(shù)據(jù)的PCB，則相應(yīng)放寬限制，但應(yīng)注意避免通過耦合作用為串行信息提供通路。
為了抑制PCB電磁輻射，除了采用相應(yīng)的技術(shù)措施外，CENELEC，F(xiàn)CC和VDE等國際組織先后頒布了有關(guān)數(shù)字電子設(shè)備電磁輻射的約束規(guī)范。目前輻射標(biāo)準(zhǔn)覆蓋的頻率從30 MHz到1 GHz，在不久的將來會擴(kuò)展到5～40 GHz。
2．電磁兼容的防治措施
解決電磁兼容問題應(yīng)從產(chǎn)品的開發(fā)階段開始，并貫穿于整個(gè)產(chǎn)品或系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)過程。電磁兼容的工程方法有測試修改法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)法。測試修改法就是在設(shè)計(jì)過程中盡量采用電磁兼容設(shè)計(jì)規(guī)范，在樣機(jī)完成后進(jìn)行測試，然后針對出現(xiàn)的電磁兼容問題進(jìn)行分析，采取相應(yīng)的解決辦法，直到滿足要求為止。該方法比較簡單，但開發(fā)成本較高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)法是在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中仔細(xì)預(yù)測各種可能發(fā)生的電磁兼容問題，從設(shè)計(jì)的一開始就采取各種措施消除或部分消除可能出現(xiàn)的電磁干擾，以減輕調(diào)試工作的壓力。國內(nèi)外大量的經(jīng)驗(yàn)表明，在產(chǎn)品或系統(tǒng)的研制過程中越早注意電磁兼容問題，越可以節(jié)約人力與物力。
在控制方法上，除了采用眾所周知的抑制干擾傳播的技術(shù)，如屏蔽、接地、搭接、合理布線等方法以外還可以采取回避和疏導(dǎo)的技術(shù)處理，如空間方位分離、頻率劃分與回避、濾波、吸收和旁路等等，有時(shí)這些回避和疏導(dǎo)技術(shù)簡單而巧妙，可以代替成本費(fèi)用昂貴而質(zhì)量體積較大的硬件措施，收到事半功倍的效果。這是精明的工程師們經(jīng)常采用的控制方法。
在解決電磁干擾問題的時(shí)機(jī)上，需要由設(shè)備研制后期暴露出不兼容問題而采取挽救修補(bǔ)措施的被動控制方法，轉(zhuǎn)變成在設(shè)備設(shè)計(jì)初始階段就開展預(yù)測分析和設(shè)計(jì)，預(yù)先檢驗(yàn)計(jì)算，并全面規(guī)劃實(shí)施細(xì)則和步驟，做到防患于未然。把電磁兼容性設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)，維修性設(shè)計(jì)與產(chǎn)品的基本功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，并行開展。電磁兼容控制技術(shù)是現(xiàn)代并行工程的組成內(nèi)容之一。
電磁兼容設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是對電磁干擾源的研究，從干擾源處控制其電磁發(fā)射?？刂聘蓴_源的發(fā)射，需要廣泛地應(yīng)用屏蔽(包括隔離)、濾波和接地技術(shù)。
（1）屏蔽
屏蔽主要是運(yùn)用各種導(dǎo)電材料，制成殼體與大地連接，以切斷靜電耦合、感應(yīng)耦合或交變電磁場耦合的電磁噪聲傳播途徑。
電磁屏蔽是電磁兼容防治的重要手段。電磁屏蔽是以金屬隔離的原理來控制電磁干擾由一個(gè)區(qū)域向另一區(qū)域感應(yīng)和輻射傳播的方法。
屏蔽一般分為兩種類型：一類是靜電屏蔽，主要用于防止靜電場和恒定磁場的影響，另一類是電磁屏蔽，主要防止交變電場、交變磁場以及防止交變電磁場的影響。
靜電屏蔽應(yīng)具備兩個(gè)基本要點(diǎn)，即完善的屏蔽體和良好的接地。電磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求屏蔽體具有良好的導(dǎo)電連續(xù)性，對屏蔽體的導(dǎo)電性要求要比靜電屏蔽高得多。因而為了滿足電磁兼容性要求，常常用高導(dǎo)電性的材料作為屏蔽材料，如銅板、銅箔、鋁箔、鋼板或金屬鍍層、導(dǎo)電涂層。
在實(shí)際的屏蔽中，電磁屏蔽效能更大程度上依賴于機(jī)箱的結(jié)構(gòu)，即導(dǎo)電的連續(xù)性。機(jī)箱上的接縫、開口等都是電磁波的泄漏源。穿過機(jī)箱的電纜也是造成屏蔽效能下降的主要原因。
解決機(jī)箱縫隙電磁泄漏的方法是在縫隙處用電磁密封襯墊。電磁密封襯墊是一種導(dǎo)電的彈性材料，它能夠保持縫隙處的導(dǎo)電連續(xù)性。常見的電磁密封襯墊的導(dǎo)電橡膠、雙重導(dǎo)電橡膠、金屬編織網(wǎng)套、螺旋管襯墊、定向金屬導(dǎo)電橡膠等。
機(jī)箱上開口的電磁泄漏與開口的形狀、輻射源的特性和輻射源到開口處的距離有關(guān)。通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)開口尺寸和輻射源到開口的距離能夠改善屏蔽效能的要求。
通風(fēng)口可使用穿孔金屬板，只要孔的直徑足夠小，就能夠達(dá)到所要求的屏蔽效能。當(dāng)對通風(fēng)量的要求高時(shí)，必須使用截止波導(dǎo)通風(fēng)板（蜂窩板），否則不能兼顧屏蔽和通風(fēng)量的要求。如果對屏蔽要求不高，并且環(huán)境條件較好，可能使用鋁箔制成的蜂窩板。這種產(chǎn)品的價(jià)格低，但強(qiáng)度差，容易損壞。如果對屏蔽的要求高，或環(huán)境惡劣（如軍用環(huán)境），則要使用銅制或鈉制蜂窩板，這種產(chǎn)品各方面性能優(yōu)越，但價(jià)格昂貴，諸如計(jì)算機(jī)顯示屏等，既要滿足視覺要求，又要滿足防電磁泄漏要求。通常在顯示屏前加裝高性能屏蔽視窗，屏蔽機(jī)箱上絕不允許有導(dǎo)線直接通過。當(dāng)導(dǎo)線必須通過機(jī)箱時(shí)，一定要使用適當(dāng)?shù)臑V波器，或?qū)?dǎo)線進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠帘巍?/p>
板級屏蔽的一般做法是在印刷電路板的輻射元件或敏感元件上安裝金屬罩。把金屬罩焊在線路板上是一個(gè)常用且有效的屏蔽方法。
一種新的屏蔽技術(shù)采用了薄金屬化塑料底板，它們的底板邊緣有一層直接模壓上去的低扣合力導(dǎo)電橡膠層。通過針、孔等定位裝置可以使它們精確地安裝在印刷電路板上。橡膠層與線路板緊密扣合，再加上印刷電路板的底板層，可以全方位屏蔽電磁干擾，為屏蔽內(nèi)部串?dāng)_，可以把金屬化塑料或金屬罩分隔開。
還有一種類似的電磁屏蔽方法采用了帶導(dǎo)電橡膠層的塑料罩。橡膠被模壓在塑料罩的內(nèi)表面和側(cè)壁。橡膠還可以做成內(nèi)壁，在一塊或多塊印刷電路板的干擾電路之間形成電磁隔離空間。
（2）隔離
隔離主要是運(yùn)用繼電器、隔離變壓器或光電隔離器等器件來切斷電磁噪聲傳導(dǎo)形式的傳播途徑。其特點(diǎn)是將兩部分電路的地線系統(tǒng)分隔開來，切斷通過阻抗進(jìn)行耦合的可能。
在一個(gè)電子系統(tǒng)中，通道之間的信號輻射會產(chǎn)生電磁干擾。如果是兩個(gè)圖像通道的信號干擾，會產(chǎn)生圖像疊加、背景虛像等現(xiàn)象。如果是兩個(gè)音頻通道的信號干擾，則會出現(xiàn)串音現(xiàn)象。
在印刷電路板上，信號線長距離高密度平行，就有可能出現(xiàn)傳輸通道干擾。改善傳輸通道干擾的方法是在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，高頻信號之間的布線盡量少平行，有條件的要插入地線。
（3）濾波
濾波是在頻域上處理電磁噪聲的技術(shù)，為電磁噪聲提供一個(gè)低阻抗通路，以抑制電磁干擾。例如，電源濾波器對50Hz的電源頻率呈現(xiàn)高阻抗，而對電磁噪聲頻譜呈現(xiàn)低阻抗。
頻率管理是濾波的重要手段，是指運(yùn)用干擾抑制濾波技術(shù)來選擇信號和抑制干擾。為了實(shí)現(xiàn)這兩在功能而設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)都稱都稱為濾波器。通常按功能可把濾波器分為信號選擇濾波嚚和電磁干擾（EMI）濾波器兩大類。信號選擇濾波器可有效去除不需要的信號分量，同時(shí)是對被選擇信號的幅度相位影響最小的濾波器。電磁干擾濾波器是以能夠有效抑制電磁干擾為目標(biāo)的濾波器。電磁干擾濾波器常常以分為信號線EMI濾波器、電源EMI濾波器、印刷電路板EMI濾波器、反射EMI濾波器、隔離EMI濾波器等幾類。
線路板上的導(dǎo)線，是最有效的接收和輻射天線。由于導(dǎo)線的存在，往往會在線路板上產(chǎn)生過強(qiáng)的電磁輻射。同時(shí)，這些導(dǎo)線又能接受外部的電磁干擾，使電路對干擾很敏感。在導(dǎo)線上使用信號濾波器是解決高頻電磁干擾輻射和接收很有效的方法。脈沖信號的高頻成分很豐富，這些高頻成分可以借助導(dǎo)線輻射，使線路板的輻射超標(biāo)。信號濾波器的使用可使脈沖信號的高頻成分大大減少，由于高頻信號的輻射效率較高，這個(gè)高頻成分的減少，線路板的輻射將大大改善。
電源線是電磁干擾傳入設(shè)備和傳出設(shè)備的主要途徑。通過電源線，電網(wǎng)上的干擾可以傳入設(shè)備，干擾設(shè)備的正常工作。同樣，設(shè)備的干擾也可以通過電源線傳到電網(wǎng)上，對電網(wǎng)上的其他設(shè)備造成干擾。為了防止這兩種情況的發(fā)生，必須在設(shè)備的電源入口處安裝一個(gè)低通濾波器，這個(gè)濾波器只允許設(shè)備的較低工作頻率（50Hz，60Hz，400Hz）通過，而對較高頻率的干擾有很大的損耗，由于這個(gè)濾波器專門用于設(shè)備電源線上，所以稱為電源線濾波器。
電源線上的干擾電路以兩種形式出現(xiàn)。一種是在火線零線回路中，其干擾被稱為差模干擾。另一種是在和火線、零線與地線和大地的回路中，稱為共模干擾。通常200Hz以下時(shí)，差模干擾成分為主要成分。1MHz以上時(shí)，共模干擾成分占主要成分。電源濾波器對差模干擾和共模干擾都有抑制作用，但由于電路結(jié)構(gòu)不同，對差模干擾和共模干擾的抑制效果不一樣，所以小濾波器的技術(shù)指標(biāo)中有差模插入損耗和共模插入損耗之分。
（4）接地
接地包括接地體的設(shè)計(jì)、地線的布置、接地線在各種不同頻率下的阻抗等內(nèi)容，不僅涉及產(chǎn)品或系統(tǒng)的電氣安全，而且關(guān)聯(lián)著電磁兼容和其測量技術(shù)。