PCB的電磁兼容測試設計方案

引言

隨著電子設備的集成度提高、頻率增加和尺寸減小，電磁兼容（EMC）問題日益突出。良好的EMC設計不僅能保證設備在電磁環(huán)境中的正常運行，還能減少對其它設備的干擾。本文旨在詳細探討PCB的電磁兼容測試設計方案，并特別關注主控芯片的選擇及其在設計中的作用。

1. 電磁兼容測試設計方案概述

電磁兼容設計主要涉及兩個方面：抗干擾能力和干擾控制?？垢蓴_能力是指設備能夠在電磁干擾環(huán)境下正常工作；干擾控制則是指設備在正常工作時不對其他設備產(chǎn)生不可接受的干擾。在高功率PCB設計中，這兩個方面尤為重要，因為高功率電路更容易產(chǎn)生和受到電磁干擾。

1.1 抗干擾能力設計

為了提升系統(tǒng)的抗干擾能力，設計PCB板時應考慮以下幾個方面：

• 合理布局：

• 盡可能減少高頻率電子器件之間的聯(lián)線，降低它們的分布參數(shù)和相互之間的干擾信號。

• 一些電子器件或?qū)Ь€之間可能有較高的工作電壓，應增加它們之間的間距，以防放電引起意外短路。

• 熱值大的元件應留出散熱空間，甚至應將其裝在整個設備的底板上，以利于散熱。

• 依照電源電路的步驟安排各功能模塊的位置，使布局有利于信號流通，并使信號盡量高度一致的方向。

• 以每個功能模塊的關鍵元件為中心，圍繞它進行布局，盡量減少和縮短各元件之間的導線和連接長度。

• 充分考慮各元件之間的分布參數(shù)，盡量使元件平行排列，這樣不僅有利于提高抗干擾性，而且外觀美觀，便于大批量生產(chǎn)。

• 走線設計：

• 總體原則是先布時鐘、敏感電源線，再布高速電源線，最后布不關鍵電源線。

• 在多層板走線中，相鄰層之間最好采用“井”字型多孔結構。

• 減少導線彎曲，避免導線寬度突然變化，為防止阻抗變化，電源線轉(zhuǎn)角處應設計成弧形或用45度曲線連接。

• PCB板的最表層導線或元件離電路板邊緣距離不低于2mm，這不僅可防止阻抗變化，還有利于PCB夾裝。

• 針對必須鋪設大規(guī)模去銅箔的元件，應用柵格狀，并通過過孔與地質(zhì)結構連接。

• 短而細的導線能有效抑制干擾，但過小的圖形界限會增加導線電阻，導線的最小寬度可根據(jù)導線的最大電流而定。

• 接地與電源設計：

• 根據(jù)線路板PCB電流的大小，盡可能加粗電源插頭和接地線的寬度，降低環(huán)路電阻，同時使電源插頭接地線的走向和數(shù)據(jù)傳輸方向一致，有利于提高抗噪聲能力。

• 盡量采用貼片式元件，減少引腳長度，降低去耦電容器供電系統(tǒng)回路面積，降低元件分布電感的危害。

• 在環(huán)形變壓器前端加電源濾波器，抑制共模噪聲和差模噪聲，防護外界和內(nèi)部脈沖噪聲的干擾。

• 線路板的供電線路應增加濾波電容。

1.2 干擾控制設計

干擾控制主要是通過電磁屏蔽、濾波和接地等手段來實現(xiàn)的。

• 電磁屏蔽：

• 在高功率PCB中，通過合理布局，確保高電流路徑形成的環(huán)路面積盡可能小，以減少輻射干擾。

• 使用多層PCB設計，利用內(nèi)層作為電源層和地層，可以有效屏蔽干擾。

• 對于特別敏感或發(fā)射輻射的部分，可以考慮使用金屬屏蔽。

• 濾波：

• 在輸入輸出端口使用濾波器，可以有效抑制高頻干擾信號。

• 還可以使用電磁干擾抑制元件，如鐵氧體磁環(huán)、電感、電容等，來抑制高頻干擾。

• 接地：

• 良好的接地設計是EMC設計的基礎，應盡量做到單點接地，以減少地環(huán)路引起的干擾。

2. 主控芯片的選擇及其在設計中的作用

主控芯片是PCB設計的核心，其性能和特性直接影響整個系統(tǒng)的EMC表現(xiàn)。在選擇主控芯片時，需要考慮以下幾個方面的因素：

• 工作頻率和速度：芯片的工作頻率和速度直接影響其產(chǎn)生的電磁輻射強度。高速芯片會產(chǎn)生更高的電磁干擾（EMI），因此在選擇芯片時，應在保證性能的前提下，盡量選擇頻率較低的芯片。

• 封裝形式：芯片的封裝形式對EMC表現(xiàn)也有重要影響。一般地，貼片器件的寄生參數(shù)小于插裝器件，BGA封裝的寄生參數(shù)小于QFP封裝。寄生參數(shù)較小的封裝形式有助于減少EMI輻射。

• 電源管理：穩(wěn)定的電源供應可以減少由電源引起的干擾。低功耗、高性能的芯片在EMC設計中表現(xiàn)良好。通過合理的電源管理和濾波設計，可以減少其產(chǎn)生的電磁輻射。

以下是幾種常見的主控芯片型號及其在設計中的作用：

2.1 ESP32

ESP32是Espressif公司推出的一款低功耗、高性能的Wi-Fi和藍牙SoC（系統(tǒng)級芯片），適用于物聯(lián)網(wǎng)應用。

• 型號：ESP32

• 作用：

• 集成了Wi-Fi和藍牙功能，支持多種無線通信協(xié)議。

• 具有高性能的CPU和豐富的外設接口，適用于復雜的嵌入式系統(tǒng)。

• 在EMC設計中，ESP32的電源管理和信號完整性設計尤為重要。通過合理的電源濾波和信號隔離，可以減少其產(chǎn)生的電磁干擾，并提高系統(tǒng)的整體EMC性能。

2.2 STM32系列

STM32系列微控制器是STMicroelectronics公司推出的一款高性能微控制器，廣泛應用于工業(yè)自動化、汽車電子等領域。

• 型號：STM32F030C8T6、STM32F303VCT6、STM32F051K6U6等

• 作用：

• 具有高性能的CPU和豐富的外設接口，支持多種通信協(xié)議和接口標準。

• 在EMC設計中，可以通過合理的布局和布線，減少其產(chǎn)生的電磁輻射，并提高其抗干擾能力。

• 適用于需要高性能和低功耗的嵌入式系統(tǒng)。

2.3 PIC系列

PIC系列是Microchip公司推出的一款高性能微控制器，廣泛應用于工業(yè)自動化、汽車電子等領域。

• 型號：PIC32MX系列、PIC32MZ系列等

• 作用：

• 具有高性能的CPU和豐富的外設接口，適用于復雜的嵌入式系統(tǒng)。

• 在EMC設計中，可以通過合理的布局和布線，減少其產(chǎn)生的電磁輻射，并提高其抗干擾能力。

• 支持多種通信協(xié)議和接口標準，適用于多種應用場景。

2.4 AVR系列

AVR系列是Atmel公司推出的一款低功耗、高性能的8位微控制器，廣泛應用于消費電子、智能家居等領域。

• 型號：ATmega328P等

• 作用：

• 具有高性能的CPU和豐富的外設接口，支持多種通信協(xié)議和接口標準。

• 在EMC設計中，可以通過合理的電源管理和信號完整性設計，減少其產(chǎn)生的電磁干擾，并提高其抗干擾能力。

• 適用于需要低功耗和高性能的嵌入式系統(tǒng)。

3. 電磁兼容測試板的設計

在進行電磁兼容測試時，通常需要設計專用的測試板。以下是測試板設計的一些基本要求：

• 板厚：推薦板厚為1.6mm，在板角處可以加孔。

• 邊緣處理：板的所有邊緣參考地至少應鍍錫或露銅5mm，使之導電以便與TEM（橫電磁波小室）小室的參考地良好接觸。也可以選擇在板子的邊緣鍍金。

• 過孔設計：板邊緣的過孔應距離邊緣至少5mm遠。所有過孔直徑應根據(jù)需要設計，一般要求不小于0.2mm。

• 疊層結構：建議最小疊層為2層板，可根據(jù)測試系統(tǒng)的復雜程度、布局布線的復雜程度和信號完整性要求，采用4層板、6層板或更多層的疊層結構。

• 電源去耦和IO負載設計：需結合芯片的典型應用場景的推薦電路進行設計。

• 阻抗匹配：針對傳導耦合測試，對應耦合網(wǎng)絡的走線還需要保證50Ω的阻抗，使之與測試設備的特征阻抗匹配。

4. 測試與驗證

在完成PCB設計和主控芯片選擇后，需要進行測試和驗證，以確保系統(tǒng)的電磁兼容性。測試方法包括：

• 傳導測試：通過傳導耦合網(wǎng)絡測試PCB的傳導發(fā)射和傳導敏感度。

• 輻射測試：使用天線或橫電磁波小室測試PCB的輻射發(fā)射和輻射敏感度。

• 瞬態(tài)脈沖測試：測試PCB對瞬態(tài)脈沖干擾的抵抗能力。

• 靜電放電測試：測試PCB對靜電放電的抵抗能力。

通過綜合使用這些測試方法，可以全面評估PCB的電磁兼容性，并進行必要的優(yōu)化和改進。

5. 結論

電磁兼容設計是PCB設計中的重要環(huán)節(jié)，直接關系到設備的可靠性和穩(wěn)定性。通過合理選擇主控芯片、優(yōu)化布局布線、加強電磁屏蔽和濾波設計等措施，可以顯著提高系統(tǒng)的電磁兼容性。隨著技術的發(fā)展，未來的EMC設計將更加集成化、智能化，以適應日益復雜的電子環(huán)境。通過不斷改進和優(yōu)化設計方案，可以推動電子產(chǎn)品向更高性能、更低功耗和更高可靠性方向發(fā)展。