PCB电磁兼容设计应参考的模块划分和器件布局

本文主要内容：在具体的电路中正确进行模块划分和器件布局

 

讨论PCB的电磁兼容设计，不能不讨论PCB的模块划分及关键器件布局。一方面是因为某些频率发生器件、驱动器、电源模块、滤波器件等在PCB上的相对位置和方向都会对电磁场的发射和接收产生巨大影响，另一方面是因为以上布局的优劣将直接影响到布线的质量。

 

模块划分

按功能划分

各种电路模块实现不同的功能，比如时钟电路、放大电路、驱动电路、A/D、D/A转换电路、I/O电路、开关电源、滤波电路等，它们实现的功能是各不相同的。

 

一个完整的设计可能包含了其中多种功能的电路模块，在进行PCB设计时，可依据信号流向，对整个电路进行模块划分，从而保证整个布局的合理性，达到整体布线路径最短，各个模块互不交错，减少模块间互相干扰的可能性。

 

按频率划分

按照信号的工作频率和速率可以对电路模块进行划分；高、中、低频率渐次展开，互不交错。

 

按信号类型划分

按信号类型可以分为数字电路和模拟电路两部分。

 

为了降低数字电路对模拟电路的干扰，使他们能和平共处，达到兼容状态，在PCB布局时需要给他们定义不同的区域，从空间上进行必要的隔离，减小相互之间的耦合。对于数、模转换电路，如A/D、D/A转换电路，应该布放在数字电路和模拟电路的交界处，器件放置的方向应以信号的流向为前提，使信号引线距离最短，并使模拟部分的管脚位于数字地的上方。

 

器件布局

综合布局

电路布局的一个原则就是应该按照信号流向关系，尽可能做到使关键的高速信号走线最短，其次考虑电路板的整齐、美观。时钟信号应尽可能短，若时钟走线无法缩短，则应在时钟线的两侧加屏蔽地线，对于比较敏感的信号线，也应考虑屏蔽措施。

 

时钟电路具有较大的对外辐射，会对一些敏感的电路，特别是模拟电路产生较大的影响，因此在电路布局时应让时钟电路远离其他无关电路，为了防止时钟信号的对外辐射，时钟电路一般应远离I/O电路和电缆连接器。

 

低频数字I/O电路和模拟I/O电路应靠近连接器布放，时钟电路、高频电路和存储器等器件常布放在电路板的最靠近里边的位置，中低频逻辑电路一般放在电路板的中间位置；如果有A/D、D/A电路，则一般放在电路板的中间位置。

 

下面是一些基本要点。

 

1. 区域分割，不同功能种类的电路应该放于不同的区域，如对数字电路、模拟电路、接口电路、时钟、电源等进行分区。

2. 数、模转换电路应布放在数字电路区域和模拟电路区域的交界处。

3. 时钟电路、高速电路、存储器电路应布放在电路板最靠近里边的位置，低频数字I/O电路和模拟I/O电路应靠近连接器布放。

4. 应该采用基于信号流的布局，使关键信号的高频信号的连线最短，而不是首先考虑电路板的整齐、美观。

控制驱动部分远离屏蔽体的局部开孔，并应尽快离开本板。

5. 晶体、晶振等应就近与对应的IC放置。

6. 基准电压源（模拟电压信号输入线、A/D变换参考电源）要尽量远离数字信号。

特殊器件的布局

 

电源部分

在分散供电的电路板上都要有一个或者多个DC/DC电源模块，加上与之相关的电路，如滤波、防护等电路共同构成电路板电源的输入部分。

 

现代的开关电源是EMI产生的重要源头，干扰频带可以达到300MHz以上，系统中多个单板都有自己独立的电源，但干扰却能通过背板或空间传播到其他的单板上，而单板供电线路越长，产生的问题越大，所以电源部分必须安装在单板电源入口处，如果存在大面积的电源部分，也要求统一放在单板一侧。

 

电源部分放置方向上主要是考虑输入/输出线的顺畅，避免交叉。

 

另外，因为往往单板的电源部分相对比较独立，而又常常会产生EMI的问题，所以推荐利用过孔带或分割线将电源部分和其他电路部分进行分割。

 

时钟部分

时钟往往是单板最大的干扰源，也是进行PCB设计时最需要特殊处理的地方，布局时一方面要使时钟源离单板的边距离尽量大，另一方面要使时钟输出到负载的走线尽量短。

 

电感线圈

线圈（包括继电器）是最有效的接收和发射磁场的器件，建议线圈放置在离EMI源尽量远的地方，这些发射源可能是开关电流、时钟输出、总线驱动等。

 

线圈下方PCB板上不能有高速走线或敏感的控制线，如果不能避免，就一定要考虑线圈的方向问题，要使场强方向和线圈的平面平行，保证穿过线圈的磁力线最少。

 

总线驱动部分

随着系统容量越来越大，总线速率越来越高，总线驱动能力要求也越来越高，而总线数量也大量增加，总线匹配难以做到十分完美，所以一般总线驱动器附近的辐射场强很强，总线驱动器是时钟之外的另一主要EMI源。

 

在布局上，要求总线驱动部分离单板拉手条的距离尽量远，减小对系统外的辐射，同时要求驱动后的信号到末端的距离尽量靠近。

 

滤波器件

滤波措施是必不可少也是最常用的手段，原理设计中提到了很多的滤波措施，比如去耦电容、三端电容、磁珠、电源滤波、接口滤波等，但在进行PCB设计时，如果滤波器的位置放置不当，那么滤波效果将大打折扣，甚至起不到滤波作用。

 

滤波器件的安装一般考虑的是就近原则：

 

1. 去耦电容要尽量靠近IC的电源管脚；

2. 电源滤波要尽量靠近电源输入或电源输出；

3. 局部功能模块的滤波要靠近模块的入口；

4. 对外接口的滤波要尽量靠近接插件等。

在具体的电路中正确进行模块划分和器件布局

 

讨论PCB的EMC设计，不能不讨论PCB的模块划分及关键器件布局。一方面是因为某些频率发生器件、驱动器、电源模块、滤波器件等在PCB上的相对位置和方向都会对电磁场的发射和接收产生巨大影响，另一方面是因为以上布局的优劣将直接影响到布线的质量。

 

模块划分

按功能划分

各种电路模块实现不同的功能，比如时钟电路、放大电路、驱动电路、A/D、D/A转换电路、I/O电路、开关电源、滤波电路等，它们实现的功能是各不相同的。

 

一个完整的设计可能包含了其中多种功能的电路模块，在进行PCB设计时，可依据信号流向，对整个电路进行模块划分，从而保证整个布局的合理性，达到整体布线路径最短，各个模块互不交错，减少模块间互相干扰的可能性。

 

按频率划分

按照信号的工作频率和速率可以对电路模块进行划分；高、中、低频率渐次展开，互不交错。

 

按信号类型划分

按信号类型可以分为数字电路和模拟电路两部分。

 

为了降低数字电路对模拟电路的干扰，使他们能和平共处，达到兼容状态，在PCB布局时需要给他们定义不同的区域，从空间上进行必要的隔离，减小相互之间的耦合。对于数、模转换电路，如A/D、D/A转换电路，应该布放在数字电路和模拟电路的交界处，器件放置的方向应以信号的流向为前提，使信号引线距离最短，并使模拟部分的管脚位于数字地的上方。

 

器件布局

综合布局

电路布局的一个原则就是应该按照信号流向关系，尽可能做到使关键的高速信号走线最短，其次考虑电路板的整齐、美观。时钟信号应尽可能短，若时钟走线无法缩短，则应在时钟线的两侧加屏蔽地线，对于比较敏感的信号线，也应考虑屏蔽措施。

 

时钟电路具有较大的对外辐射，会对一些敏感的电路，特别是模拟电路产生较大的影响，因此在电路布局时应让时钟电路远离其他无关电路，为了防止时钟信号的对外辐射，时钟电路一般应远离I/O电路和电缆连接器。

 

低频数字I/O电路和模拟I/O电路应靠近连接器布放，时钟电路、高频电路和存储器等器件常布放在电路板的最靠近里边的位置，中低频逻辑电路一般放在电路板的中间位置；如果有A/D、D/A电路，则一般放在电路板的中间位置。

 

下面是一些基本要点。

 

1. 区域分割，不同功能种类的电路应该放于不同的区域，如对数字电路、模拟电路、接口电路、时钟、电源等进行分区。

2. 数、模转换电路应布放在数字电路区域和模拟电路区域的交界处。

3. 时钟电路、高速电路、存储器电路应布放在电路板最靠近里边的位置，低频数字I/O电路和模拟I/O电路应靠近连接器布放。

4. 应该采用基于信号流的布局，使关键信号的高频信号的连线最短，而不是首先考虑电路板的整齐、美观。

5. 控制驱动部分远离屏蔽体的局部开孔，并应尽快离开本板。

6. 晶体、晶振等应就近与对应的IC放置。

7. 基准电压源（模拟电压信号输入线、A/D变换参考电源）要尽量远离数字信号。

特殊器件的布局

 

电源部分

在分散供电的电路板上都要有一个或者多个DC/DC电源模块，加上与之相关的电路，如滤波、防护等电路共同构成电路板电源的输入部分。

 

现代的开关电源是EMI产生的重要源头，干扰频带可以达到300MHz以上，系统中多个单板都有自己独立的电源，但干扰却能通过背板或空间传播到其他的单板上，而单板供电线路越长，产生的问题越大，所以电源部分必须安装在单板电源入口处，如果存在大面积的电源部分，也要求统一放在单板一侧。

 

电源部分放置方向上主要是考虑输入/输出线的顺畅，避免交叉。

 

另外，因为往往单板的电源部分相对比较独立，而又常常会产生EMI的问题，所以推荐利用过孔带或分割线将电源部分和其他电路部分进行分割。

 

时钟部分

时钟往往是单板最大的干扰源，也是进行PCB设计时最需要特殊处理的地方，布局时一方面要使时钟源离单板的边距离尽量大，另一方面要使时钟输出到负载的走线尽量短。

 

电感线圈

线圈（包括继电器）是最有效的接收和发射磁场的器件，建议线圈放置在离EMI源尽量远的地方，这些发射源可能是开关电流、时钟输出、总线驱动等。

 

线圈下方PCB板上不能有高速走线或敏感的控制线，如果不能避免，就一定要考虑线圈的方向问题，要使场强方向和线圈的平面平行，保证穿过线圈的磁力线最少。

 

总线驱动部分

随着系统容量越来越大，总线速率越来越高，总线驱动能力要求也越来越高，而总线数量也大量增加，总线匹配难以做到十分完美，所以一般总线驱动器附近的辐射场强很强，总线驱动器是时钟之外的另一主要EMI源。

 

在布局上，要求总线驱动部分离单板拉手条的距离尽量远，减小对系统外的辐射，同时要求驱动后的信号到末端的距离尽量靠近。

 

滤波器件

滤波措施是必不可少也是最常用的手段，原理设计中提到了很多的滤波措施，比如去耦电容、三端电容、磁珠、电源滤波、接口滤波等，但在进行PCB设计时，如果滤波器的位置放置不当，那么滤波效果将大打折扣，甚至起不到滤波作用。

 

滤波器件的安装一般考虑的是就近原则：

 

1. 去耦电容要尽量靠近IC的电源管脚；

2. 电源滤波要尽量靠近电源输入或电源输出；

3. 局部功能模块的滤波要靠近模块的入口；

4. 对外接口的滤波要尽量靠近接插件等。

 

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