提高電路板EMC能力PCB設計和布線(xiàn)方法

在 電機控制應用中的電磁兼容性設計與測試標準[3] 介紹了 EMC design guides for motor control applications[4] 中的前半部分，關(guān)于電機控制電路中的EMC防范標準和測試方法。由于篇幅將該文檔的后半部分，也就是具體PCB布線(xiàn)考慮細節內容省略了。下面將該文檔的后半部分摘錄。

01 PCB設計與布線(xiàn)

為了使得電機控制電路滿(mǎn)足電磁兼容性（EMC）標準，EMC要求應該作為產(chǎn)品定義的一部分，并隨之將目標在電路設計，器件選擇以及PCB布線(xiàn)過(guò)程中關(guān)注電磁干擾輻射以及降低電路對電磁干擾的敏感性。

??

下圖顯示了高度集成電機控制設計電路的一般電路結構。這里，可以看到它包含有各種功能模塊。需要考慮其中哪些功能可能產(chǎn)生電磁輻射，或者對于電磁干擾敏感，以及它們之間可能存在的耦合路徑。

圖1.1 三相感應電機逆變電路

1.1 EMC總覽

下圖給出一個(gè)簡(jiǎn)單產(chǎn)生電磁干擾的組成部分：

●    電磁干擾源；

●    電磁耦合路徑

●    電磁干擾影響器件或接受器件；

圖1.1.1 電磁干擾模型

??

電磁干擾源包括微控制器，電荷放電器件，發(fā)送器，功率瞬變器件比如電磁繼電器，電源開(kāi)關(guān)以及閃電等。在微控制器系統中， 時(shí)鐘電路通常會(huì )產(chǎn)生寬帶噪聲。

??

盡管所有的電子線(xiàn)路都可能會(huì )接收電磁干擾信號，但最敏感電路信號包括：復位、中斷、故障檢測、保護以及控制信號線(xiàn)。模擬放大器，控制電路以及電源穩壓電路等也容易受到噪聲的干擾。

??

在干擾源和接收電路中間的耦合路徑包括：

●    傳導：在干擾源和接收電路之間的耦合路徑就是直接的接觸，比如引線(xiàn)、電纜或者路徑連接；

●    電容：在兩個(gè)接近的導體或者引線(xiàn)之間存在各種電場(chǎng)，當間距小于電磁波波長(cháng)會(huì )在空隙之間引起電壓的變化；

●    電感或者磁場(chǎng)：在兩個(gè)平行導體或者引線(xiàn)之間存在磁場(chǎng)，當間距小于電磁波波長(cháng)的時(shí)候會(huì )在接收導體上引起電壓的變化；

●    電磁輻射：當干擾源與接收電路之間的距離比較遠，大于電磁波波長(cháng)，發(fā)射與接收之間相當于無(wú)線(xiàn)電天線(xiàn)，電磁干擾從干擾源發(fā)送，輻射出的電磁波在空氣中傳播。

??

電機控制電路中的開(kāi)關(guān)電源通常是電磁干擾的主要來(lái)源。電路中的方波脈沖形成快速變化的大電流、電壓，具有很高的 ，。波形具有很強的非線(xiàn)性，存在高次諧波。由于存在這么多的頻率分量，通常都是噪聲信號，他們比較容易通過(guò)傳導或者無(wú)線(xiàn)電波輻射干擾到電機控制電路的其它電路，使得它們產(chǎn)生故障。

??

設計人員通常使用阻尼電路或者軟開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)極大降低開(kāi)關(guān)電源中的電磁干擾。

??

令人驚奇的是，由于現在的功率晶體管通常具有比應用需求更高的開(kāi)關(guān)頻率，一些特定電路部分可能不經(jīng)意間將噪聲以及諧波分量進(jìn)行放大，這樣會(huì )使得電磁干擾問(wèn)題復雜化。這些高頻干擾信號有可能達到無(wú)線(xiàn)電波發(fā)射的頻段，所以有時(shí)也被稱(chēng)為射頻干擾（RFI）。

??

逆變以及驅動(dòng)電路具有產(chǎn)生電磁干擾的能力，電路設計者需特別關(guān)注功率晶體管器件的打開(kāi)和截止特性，盡可能降低這些電路的電磁干擾信號的產(chǎn)生。如果使用分離的IGBT，或者M(jìn)OSFET器件，設計人員可以靈活使用門(mén)極串聯(lián)電阻來(lái)控制功率管的開(kāi)關(guān)特性，在功耗損失與電磁干擾之間進(jìn)行折中。

??

如果使用IPM（智能功率模塊），內部集成有驅動(dòng)電路，其中的參數已經(jīng)在功耗損失與電磁干擾之間進(jìn)行了優(yōu)化。

??

在電機控制電路設計中，還包括有控制以及傳感器功能，他們通常容易受到電磁干擾的影響，可以通過(guò)旁路、濾波以及緩沖等主要手段來(lái)避免他們失效。

??

一旦確認了電磁干擾源以及有干擾電路，那么在電路性能以及費用約束條件下對電路拓撲結構進(jìn)行優(yōu)化。

??

一旦最初電路設計和原理圖定型之后，精力需要集中在電磁兼容性和控制的核心部位：也就是PCB布線(xiàn)。這個(gè)階段可以考慮通過(guò)分割策略，考慮不同三維結構的器件布局和布線(xiàn)如何影響最終產(chǎn)品的電磁干擾性能。很多電磁兼容性問(wèn)題的麻煩通常都是在電路分割和布線(xiàn)過(guò)程中被發(fā)現和解決的。

??

解決電磁兼容性要求的主要步驟階段：

??1. 電路定義階段：定義設計所需要遵守的電磁兼容性標準；

??2. 電路設計階段：在原理圖實(shí)現過(guò)程中，工程師需要：* 確定電路中可能形成電磁干擾源的電路和器件；* 確定電路中容易對電磁干擾敏感的電路和器件；* 確定出在干擾源與接收干擾電路之間可能存在的連通和無(wú)線(xiàn)電傳遞途徑。

??3. 設計出合適的電路分割策略，可以進(jìn)行高效電路連接和規劃。

1.2 電路分割策略

對于電磁干擾影響重要的PCB布線(xiàn)結構和布局關(guān)鍵因素包括：

??1. PCB： 確定PCB種類(lèi)，包括尺寸和層數，通常由費用決定；

??2. 地線(xiàn)： 確定電路地線(xiàn)結構，它直接影響PCB種類(lèi)的選擇；

??3. 信號： 確定控制、功率和地線(xiàn)信號的種類(lèi)，這由所需要的電機控制功能來(lái)決定；

??4. 耦合路徑： 確定在功能模塊之間的信號交換最佳手段，對大型器件確定是采用表面封裝還是穿孔引腳封裝。

??5. 器件走向和擺放： 壽命考慮大型器件，或者需要安裝散熱片的器件，他們往往對于安放位置有要求，需要進(jìn)行特殊處理。

??6. 屏蔽： 對于電磁干擾的其它方法最終無(wú)法滿(mǎn)足你的電磁兼容性要求和限制，考慮如何對PCB增加屏蔽罩。

1.3 電路分割

經(jīng)過(guò)周密規劃之后，需要對電路進(jìn)行按部就班（遵照邏輯）進(jìn)行實(shí)際分割。下圖中的電路分割模型，是經(jīng)過(guò)考慮到所有主要EMI的問(wèn)題之后的結果，總體上來(lái)看它顯示了：

●    電路功能是如何分成不同模塊；

●    不同模塊如何布局；

●    以及模塊間如何通過(guò)底線(xiàn)進(jìn)行分割；

選自網(wǎng)絡(luò )，侵刪除