摘 要：多层电路板的电磁兼容性是指系统设备在电磁环境中能够正常运作，且在运作过程中不会对设备或其他系统造成干扰。多层电路板设计中尤其要重视就是电磁兼容设计，本研究介绍了在设计多层电路板时应充分了解的电磁兼容性特性与设计原则，对电路的电磁兼容进行分析，考量其电磁兼容性。

关键词：多层电路板；电磁兼容

中图分类号：TN4 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）04-0053-03

Abstract：The EMC of a multi-layer circuit board means that the system equipment can operate normally in the electromagnetic environment and will not interfere with the equipment or other systems during the operation. In the design of multi-layer circuit board，we should pay special attention to EMC design. We must fully understand the characteristics and design principles of EMC when designing the multilayer circuit board，analyze the electromagnetic compatibility of the circuit and examine its EMC.

Keywords：multilayer circuit board；electromagnetic compatibility measurement

0 引 言

隨着电子技术逐步向小型化、大规模集成化等方面发展，在计算机、通信设备等领域中大量采用现代电子技术后，电路板电磁兼容问题更加不容忽视。电磁兼容也是随着电子信息技术发展而来的一门新兴的学科，电磁兼容性是指设备与系统在电磁环境中正常运行，同时不会对其他设备造成干扰。本文详细介绍了多层电路板电磁兼容的特征、设计的一般原则、设计过程中的电磁兼容设计及相关抗干扰技术等。

1 电磁兼容特性的特征

电磁兼容的主要研究内容是电磁干扰和抗干扰的问题。要设计出符合电磁兼容要求的产品，首先要对电磁兼容的特性进行充分的了解。对电子产品而言，电磁兼容问题的发生是在以下几点基本条件下：存在的干扰源；有干扰的完整耦合通道；被干扰的对象有响应。因此，电子设备或是电磁兼容设计主要就是研究如何控制干扰源，切断或控制电磁干扰的耦合通道，提高设备或是系统的抗干扰能力。

电路板是电子设备最基本的元素，是电路元件和器件的支撑点，它起到了电子设备中元件与器件链接的作用。当前是集成电路大规模运用的时代，单层电路板已经不能满足高密度布线、高集成的电路，因此多层电路板的运用越来越广泛。多层电路板上元器件的高频寄生特性往往是导致产品电磁兼容问题最主要的内部因素。同样，在不同的频率下，导线、电阻、电容和电感均会表现出不同的特征。

1.1 导线的频率特征

多层电路板上的走线和元器件的引脚导线都有寄生电感和电容，这些寄生电感和电容会影响到导线的频率特性，从而有可能在元器件和导线之间产生谐振，致使导线成为电磁干扰的重要发射天线。

1.2 电阻的频率特征

电阻的高频寄生特性主要受其制作材料和封装工艺的影响，其寄生电容主要存在于电阻两端，对于高频电路而言，电阻的寄生电容是导致电磁兼容问题的一个重要因素。

1.3 电容的频率特征

作为重要的滤波、去耦、储能元件，电容在电子电路中有着广泛的应用。但是在高频电路中，当电路的工作频率超过了电容的自谐振频率时，其寄生电感将使电容表现为电感特性，从而失去原有的功能并影响电路的工作性能。

1.4 电感的频率特征

在电子电路中，电感通常用于对电磁干扰的抑制。但是，当电路的工作频率增加时，电感的等效阻抗会随着电路的工作频率增加而加强；当电路的工作频率超过电感的工作频率时，电感就影响了电路的正常工作。当然，产生电磁兼容问题还有部分外部因素，例如雷电、电源问题、静电等，文章在此不做详细分析。

2 多层板电磁兼容的设计原则

多层板的电磁兼容设计是一个广而大的系统工程，电路板的材料、板层的选择、电子元件的选择以及电路板的布局布线等都会影响到电路板的电磁兼容性能。在设计时，遵循正确的设计原则可以有效地提高电路板的电磁兼容性能。

2.1 电路板材料、层数的选择

电路板材料选择。作为电子产品的支撑件，电路板的材料对其电磁兼容性有着相当大的影响。在选择电路板材料时，一般需要从结构强度、耐热性、平整度以及电气性能等方面进行考虑。—般的电子产品采用FR-4环氧玻璃纤维基板，而对于高频电路，则要求选择介电常数高、介质损耗小的材料，一般选择聚四氟乙烯玻璃纤维基板。

电路板层数选择。一般而言，多层板虽然具有更好的电磁兼容特性，但是也相应地增加了设计的成本和难度。确定多层电路板的层叠结构需要考虑较多的因素。从布线方面来说，层数越多越利于布线，但是制板成本和难度也会随之增加。对于生产厂家来说，层叠结构对称与否是电路板制造时需要关注的焦点，所以层数的选择需要考虑各方面的需求，以达到最佳的平衡。对于有经验的设计人员来说，在完成元器件的预布局后，会对电路板的布线瓶颈处进行重点分析。结合其他因素分析电路板的布线密度；再综合有特殊布线要求的信号线如差分线、敏感信号线等的数量和种类来确定信号层的层数；然后根据电源的种类、隔离和抗干扰的要求来确定内电层的数目。确定了电路板的层数后，接下来的工作便是合理地排列各层电路的放置顺序。在这一步骤中，需要考虑的因素主要有以下两点，一是特殊信号层的分布，二是电源层和地层的分布。

2.2 元器件选择

电路板上的元器件是电磁干扰的主要来源。器件的寄生电容和电感，信号电压、电流及其电磁场，数字电路正负逻辑之间的转换等都会造成电磁干扰。因此，在进行电路板设计时，设计者首先应该根据器件的封装、工艺及输出驱动类型等来选择合适的元器件。

2.3 多層电路板布局

确定电路板的总体结构，选择合适的传输线模型和合理的分层来抑制电路板上的电磁干扰，要比依靠各种外部屏蔽措施有效得多。

为减小电磁辐射的干扰，应尽量选择使用多层板，其内层各自作为电源层和地线层，以降低供电线路阻抗，形成均匀的接地面，加大信号线和接地面间的分布电容，控制其向空间辐射干扰的能力。

选择电路板时要注意尺寸。电路板尺寸过大时，印制线条较长，增加了线路阻抗，设计单位为降低其抗噪声能力就不得增加其设计成本；电路板尺寸过小则影响电路的散热效果，并导致邻近线条间的干扰增加。具体的尺寸应根据产品的实际需求确定。此外，还应确定包括高频器件、高压器件、可调器件以及大型、异型器件在内的特殊元件的布局。

3 高速电路的电磁兼容分析

3.1 高速电路的干扰源

在高频电路中，通常需要采取多种措施来抑制电磁干扰，一般而言，越接近干扰源，抑制干扰所需的成本就越小。高频电路中，电磁干扰主要来自器件工作的噪声干扰和高频信号噪声干扰。

3.2 高速电路的干扰防护

高速电路的干扰防护是一项系统工程，要可靠地抑制电磁干扰，则必须从电磁干扰的核心要素出发，采取有针对性的措施。电磁干扰的核心要素是干扰源、耦合通道和敏感对象，因此，干扰防护的措施也集中在这3个方面，即抑制和屏蔽干扰源、切断耦合通道和保护敏感对象。

3.2.1 抑制和屏蔽干扰源

高速电路的干扰源主要有器件高速工作时的辐射噪声、高速信号噪声、电源及底线噪声等。辐射干扰是高频电路中主要的干扰源。消除辐射干扰的方法包括选取合适器件降低辐射和采取屏蔽措施对干扰源进行隔离。前者是从辐射源内部消除辐射，后者则是通过切断由干扰源至敏感对象的感应和传播通道来消除干扰，尽可能地减少或者避开信号。电流闭合环与噪声电流闭合环，无论是在信号通路的导体图形中，还是在电源通路的导体图形中，都可能有电磁干扰电流流动。当有电磁干扰电流叠加到信号电流或者电源供电电流上时，就应当边设计边检查电路是否构成了最小的闭合内侧环路。电容与集成电路或者大规模的集成电路分布于电源的两侧，干扰电流闭合环叠加于电源供电电流之上，因而会形成较强的电磁干扰，改变电容位于电源与集成电路或者大规模集成电路之间靠近电源的方位，结果就不会形成叠加于电源供电电流之上的干电流闭合环，因此不会形成较强的电磁干扰。在选用器件时，对高频电路来说，应选用适宜的芯片，以减少电路辐射。在满足系统工作性能的前提下，尽量选择低工作频率和长上升时间的器件，在选择逻辑器件时，则要充分考虑其噪声容限指标。屏蔽措施包括静电屏蔽和电磁屏蔽两种。前者主要用于防止静电场及稳定磁场的干扰，后者则主要用于各种交变电磁场的防护。不论采用哪种屏蔽措施，都必须有完善的屏蔽体和良好的接地面，屏蔽体必须具有良好的导电性能，通常采用各种具有高导电性能的材料作为屏蔽材料。

3.2.2 抑制耦合通道

多层电路板中电磁干扰的耦合通道有很多。本文篇幅有限，仅简要地叙述空间电磁耦合和传导耦合。空间电磁耦合主要的抑制方法是采取电磁屏蔽，将干扰源与敏感对象有效隔离，在条件允许的情况下，还需要尽可能多安排地线，以满足信号回路的需要和静电能量的泄放等需求。传导耦合主要的方法是在信号布线时，合理安排高速信号线的走向。

3.2.3 保护敏感对象

保护高速电路中的敏感对象，本研究主要从以下两点来简要阐述。一是切断敏感对象与电磁干扰之间的通道；二是降低敏感对象的敏感度。但是在具体操作中并不像想象中的那样简单，电子设备的敏感度是利弊共存，不可分割的，设计者希望电子装置的灵敏度高，以提高对设备运行的能力；但是灵敏度提高的同时也代表着其他因素干扰的可能性变大，从而又影响了设备的正常运行。因此，电子设备的敏感度还应该具体问题具体分析，在设计中把握好尺度尤其关键，也体现出设计者的设计能力。通常情况下，对敏感对象的保护应是几种要素相结合，并且需要在实验中反复验证，将干扰验证做到极限。

4 结 论

多层电路板设计过程中的电磁兼容设计及相关抗干扰技术，还需与具体设计实践相结合。研究者在实践中应不断加深对电路板电磁兼容设计的认识，不断提高自身的实际操作能力。

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作者简介：成珂（1997.02-），男，汉族，湖北阳新人，本科。研究方向：电子信息科学与技术。