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1、1 第4章 PCB 布局 合理的电路板层的设置、正确的元器件布局以及有效的滤波，可减少各单元电路间的相互干扰。大功率低速电路、模拟电路和数字电路应分块布局。在各分块内，以该分块内核心元件为中心进行布局，尽量缩短各元器件间的引线连接。4.1 电路板层的规划 在 PCB 的 EMC 设计中，首先涉及的便是层的设置。电路板的层数由电源、地的层数和信号层数组成。电源层、地层、信号层的相对位置以及电源、地平面的分割对电路板的 EMC 指标至关重要。4.1.1 层数 电路板的电源，接地的种类，信号的密度，电路的工作频率，有特殊布线要求的信号数量，以及综合电路板的性能指标要求与成本承受能力，确保电路板的层数
2、。对于 EMC 指标要求苛刻而相对成本能承受的情况下，适当增加地是 PCB的 EMC 设计的有效方法之一。1 电源和地的层数 电源的层数由其种类数量决定，对于单一电源供电的 PCB，一个电源平面足够了。对于多种电源，若互不交错，可采取电源层分割（保证相邻层的关键信号布线不跨分割区）。对于电源相交错（多种电源供电，且互相交错）的电路板，则必须考虑采用 2 个或以上的电源平面，每个电源平面的设置需要满足以下条件：单一电源或多种互不相交错的电源。相邻层的关键信号不跨分割区。地的层数除满足电源平面的要求外，还要考虑：元件面下面（第 2 层或倒数第 2 层）有相对完整的地平面。高频、高速、时钟等关键信号
3、有一相邻地平面。关键电源有一对应地平面相邻。2 信号层数 在 Altium Designer 软件中，在网表调入完毕后，EDA 软件能提供一布局、布线参数报告，由此参数可对信号所需的层数有个大致的判断；经验丰富的 EDA工程师能根据以上参数再结合电路的工作频率、有特殊布线要求的信号数量以及电路板的性能指标要求与成本承受能力，最后来确定信号层数。信号的层数要取决于功能实现，从 EMC 的角度需要考虑关键信号网络（强辐射网络以及易受干扰的小、弱信号）的屏蔽或隔离措施。4.1.2 电源层、地层、信号层设置 随着高速电路的出现，PCB 板的复杂度也越来越高，为了避免电气因素的干扰，信号层和电源层必须分
4、离，因此就牵扯到多层 PCB 的设计。在多层板的设计中，对于叠层的安排尤其重要。一个好的设计方案可以大大减少 EMI 以及2 串扰的影响。1电源与地的设置 电源与接地的正确设计，对于抑制电磁干扰来说至关重要。电源线和地线尽量宽以减小电阻。数字电路与模拟电路要分开接地。数字电路的地可构成闭环以提高抗噪声性能。在电路板层数允许的条件下，可设置电源层和地层，或者通过分割电源、分割地以获得较大的电源或地面积。电源、地存在的问题：电源、地平面存在自身的特殊性抗阻，电源平面的阻抗性比地平面的阻 抗性高。为降低电源平面的抗阻，尽量将 PCB 的主电源平面与其对应的地平面相 邻排布并要尽量靠近，利用两者的耦合
5、电容，降低电源平面的阻抗。电源地平面构成的平面电容与 PCB 板上的退耦电容一起构成频响曲线，比较复杂的电源地电容，它的有效退耦频带比较宽（但存在谐振问题）。2VCC、GND 作为参考平面 电源、地平面均能用做参考面，且有一定的屏蔽作用。但相对而言，电源平面具有较高的特性阻抗，与参考电平存在较大的电位势差。从屏蔽的角度来看，地平面一般都做了接地处理，并作为基本电平参考点，其屏蔽效果远远优于电源平面。在选择参考平面时，应优选地平面。3电源、地层、信号之间的相对位置 对于电源、地的层数以及信号层数确定之后，它们之间的相对排布位置是每个 EMC 工程师都不能回避的问题：单板层的排布一般原则：元件面下
6、面第二层为地平面，提供器件屏蔽层以及为顶层布线提供参考平面。所有信号层尽可能与地平面相邻。尽量避免两信号层直接相邻。主电源尽可能与其对应地相邻。兼顾层压结构对称。对于母板的层排布，鉴于其母板很难控制平行长距离布线，对于板级工作频率在 50MHZ 以上的，建议的排布原则：元件面、焊接面为完整的地平面（屏蔽）。无相邻平行布线层。所有信号尽可能与地平面相邻。关键信号与地层相邻，不跨分割区。具体对 PCB 的层设置时，要对以上原则灵活掌握，在领会以上原则的基础上根据实际单板的需求，灵活运用以确定层的排布，切记生搬硬套，如：是否需要一关键布线层、电源、地平面的分割等情况，来确定层的排布。4.1.3 双面
7、板设计 常见的设计是表层设计为电源+信号，底层为地+信号，电源和地可以采用交叉总线的结构，也可以采用大面积铺铜的形式，具体情况视实际走线空间而定。3 还有一种较好的设计思路是：每一层面都按照单面板的设计要求来实现，然后进一步调整优化，比如加粗电源/地线，空余地方大面积铺铜等。但要注意的是：双面板和单面板一样，都不符合 EMC 的要求，因为虽然信号走线下方（背面）可能存在参考平面，但是由于板子太厚（大概 62Mils），RF 信号的回流很少通过低电感的参考平面，从而产生较强的电磁辐射。双面板结构如图 4-1 所示。图 4-1 双面板 在手工布线时，为确保正确实现电路，需要遵循一些通用的设计准则：
8、尽量采用地平面作为电流回路。将模拟地平面和数字地平面分开。如果地平面被信号走线隔断，为降低对地电流回路的干扰，应使信号走线与地平面垂直。模拟电路尽量靠近电路板边缘放置，数字电路尽量靠近电源连接端放置，这样做可以降低由数字开关引起的 di/dt 效应。对于电流回路，需要注意如下基本事项：1)如果使用走线，应将其尽量加粗。PCB 上的接地连接如要考虑走线时，设计应将走线尽量加粗，这是一个好的经验法则，但要知道，接地线的最小宽度是从此点到末端的有效宽度，此处“末端”指距离电源连接端最远的点。图 4-2 星形布线 2）如果不能采用地平面，可以采用“星形”布线策略来处理电流回路。如图 4-2 所示。通过
9、这种方法，地电流独立返回电源连接端。图中，可以注意到并4 非所有器件都有自己的回路，其中模拟数字转换和驱动器两个芯片是共用回路的。但是需要遵循以下第三条和第四条的规则。3)数字电流不应流经模拟器件。数字器件开关时，回路中的数字电流相当大，但只是瞬时的，这种现象是由地线的有效感抗和阻抗引起的。对于地平面或接地走线的感抗部分，计算公式为 V=L*di/dt，其中 V 是产生的电压，L 是地平面或接地走线的感抗，di 是数字器件的电流变化，dt 是持续时间。对地线阻抗部分的影响，其计算公式为 V=RI，其中，V 是产生的电压，R 是地平面或接地走线的阻抗，I 是由数字器件引起的电流变化。经过模拟器件
10、的地平面或接地走线上的这些电压变化，将改变信号链中信号和地之间的关系(即信号的对地电压)。4)高速电流不应流经低速器件。与上述类似，高速电路的地返回信号也会造成地平面的电压发生变化。此干扰的计算公式和上述相同，对于地平面或接地走线的感抗，V=L*di/dt；对于地平面或接地走线的阻抗，V=RI。与数字电流一样，高速电路的地平面或接地走线经过模拟器件时，地线上的电压变化会改变信号链中信号和地之间的关系。5)应避免地环路。不管使用何种技术，接地回路必须设计为最小阻抗和容抗。不同逻辑电路要遵照所允许的环路面积，如表 4-1 所示。表 4-1 不同逻辑电路所允许的环路面积 逻辑系列 上升时间 电流 M
11、A 允许的面积（CM2）4MHz 10 MHz 30 MHz 100 MHz 74HC 6 20 50 45 18 6 74LS 6 50 20 18 7.2 2.4 74AC 3.5 80 5.5 2.2 0.75 0.25 74F 3 80 5.5 2.2 0.75 0.25 74AS 1.4 120 2 0.8 3 0.15 6)如使用地平面，分隔开地平面可能改善或降低电路性能，因此要谨慎使用。分开模拟和数字地平面的有效方法，如图 4-3a 所示。5 a）地平面 b）地平面分割 图 4-3 地平面设置 分隔开的地平面有时比连续的地平面有效，图 4-3b）接地布线策略比图 4-3a）的接地
12、策略理想。精密模拟电路更靠近接插件，但是与数字网络和电源电路的开关电流隔离开了。这是分隔开接地回路的非常有效的方法。4.1.4 四层板设计 四层以上的 PCB 板，一般都能保证良好的 EMC 和其他电气性能，所以对于较高速的电路设计，一定要求采用多层板。四层板的设计大致有两种形式：一是均匀间距，另外一种是非均匀间距。对于均匀间距的设计来说，最大的优点在于电源和地之间的间距很小，可以大幅度降低电源的阻抗，提高电源的稳定性，但缺点在于两层信号层的阻抗较高，通常在 105 到 130 之间，而且由于信号层和参考平面之间的间距较大，增加了信号回流的面积，EMI 较强。而采用了后一种非均匀间距的设计，就
13、可以较好的进行阻抗控制，信号靠近参考平面也有利于提高信号的质量，减少 EMI，唯一的缺点就是电源和地之间的间距太大，造成电源和地的耦合减弱，阻抗增加，但这一点可以通过增加旁路电容来改善。四层板结构如图 4-4 所示。图 4-4 四层板 1）方案 1：电源层数 1，地层 1，信号层 2。一层为信号层，二层为地层，三层为电源层，四层为信号层。如图 4-5 所示。方案 1 的设置是我们进行四层板设置的主要方案，在元件的下面是地平面，关键信号布置在顶层。图 4-5 方案 1 布局 2）方案 2：电源层 1，地层 1，信号层 2。一层为地层，二层为信号层，三层为信号层，四层为电源层。如图 4-6 所示。
14、6 方案 2 为了达到想要的屏蔽效果，有的设计者把电源和地放在顶层或者地层，做的如此的设置，可以起到屏蔽作用，但是由于实际的使用，存在下列缺陷：电源和地平面由于元件焊盘的影响，极不完整。由于参考面的不完整导致信号的阻抗不连续。由于电源、地相距过远，导致电源平面阻抗较大。图 4-6 方案 2 布局 实际上，由于生产厂家大量采用表贴器件，对于器件越来越密的情况下，本方案的电源、地几乎无法作为完整的参考平面，导致预期的屏蔽效果很难实现，所以方案 2 的使用范围有限。但在个别单板上其又不失为最佳层设置方案。方案 2 适用于在整板无电源平面，只有 GND 平面。整板走线简单，但是作为接口滤波板布线的辐射
15、区域必须关注。板的贴片元件比较少，多数是插件。分析可知：由于无电源平面，电源平面的阻抗问题就不存在了。作为接口滤波板，PCB 布线的辐射区域必须关注，若在内层走线，表层为 GND、PGND，其走线将会得到很好的屏蔽，而传输线的辐射得到了控制。由于贴片元件少（指单面布局），若表层做平面，内层走线，参考平面的完整性基本可以得到保证，而且第二层可以铺铜保证少量顶层走线的参考平面。通过以上的分析，我们可以选择方案 2 作为布局的最佳选择。3）方案 3：电源层 1，地层 1，信号层 2 一层为信号层，二层为电源层，三层为地层，四层为信号层。如图 4-7 所示。方案 3 同方案 1 类似，适用于主要器件在
16、 BOTTOM 布局或关键信号底层布线的情况；一般情况下不使用此方案。图 4-7 方案 3 布局 4.1.5 六层电路板设计 7 随着电路复杂度的增加，PCB 板的设计也朝着高密度，高要求的方向发展。六层板的应用也越来越广泛，比如内存模块的 PCB 板，从 PC100 开始，就明确规定一定要使用至少 6 层板的结构。因为多层板无论在电气特性，对电磁辐射的抑制，还是在抵抗物理机械损伤的能力上都明显优于低层数的 PCB 板。典型的六层板结构有两种结构：一种是表层和底层没有参考平面相邻，阻抗控制上有一定的困难，必须要采用加粗线宽或通过增加沉铜的厚度来达到设计的阻抗要求。另一种是每个信号层都有较近的参
17、考平面相邻，阻抗容易控制，同时对抑制串扰和电磁辐射也比较有利，电源和地的耦合则可以通过有效的旁路电容设计得到改善。六层板结构如图 4-8 所示。图 4-8 六层板 1）方案 1：电源层数 1，地层 1，信号层 4。如图 4-9 所示。图 4-9 方案 1 布局 从阻抗控制的观点来讲，这样的安排是合理的，但由于电源离地平面较远，对减小共模 EMI 的辐射效果不是很好。2）方案 2：电源层数 1，地层数 1，信号层数 4。如图 4-10 所示。8 图 4-10 方案 2 布局 3）方案 3：电源层数 1，地层数 2，信号层数 3。如图 4-11 所示。图 4-11 方案 3 布局 无论从阻抗控制还
18、是从降低 EMI 的角度来说，都能实现高速信号完整性设计所需要的环境。不足之处是层的堆叠不平衡，第三层是信号走线层，对应的第四层却是大面积覆铜的电源层，这在工艺制造上可能会有问题。在设计时可以将第三层覆铜来达到近似平衡的效果。4）方案 4：电源层数 1，地层数 2，信号层数 3。如图 4-12 所示。图 4-12 方案 4 布局 对于六层板，优先考虑的是方案 3，优选布线层 S2，其次是 S3、S1。主电源及其对应的地布在第 4、第 5 层，层厚设置时，增大 S2P 之间的距离，缩小PG2 之间的间距（相应缩小 G1S2 层之间的间距），以减小电源平面的阻抗性，减少电源对 S2 的影响。在成本
19、要求较高的时候，可采用方案 1，优选布线曾 S1、S2，其次才是 S3、S4，与方案 1 相比较，方案 2 保证了电源、地平面相邻，减少了电源的阻抗，但 S1、S2、S3、S4 全部裸露在外面，只有 S2 才有较9 好的参考平面。对于局部和少量信号要求较高的场合，方案 4 比方案 3 更适合，它能提供极佳的布线层 S2。4.1.6 八层板设计 八层板的设计方案有很多种，这里介绍应用最广泛的 5 种叠层设计。八层板结构如图 4-13 所示。图 4-13 八层板 1）方案 1:电源层数 1，地层数 2，信号层数 5。如图 4-14 所示。图 4-14 方案 1 布局 2)方案 2：电源层数 1，地
20、层数 3，信号层数 4。如图 4-15 所示 图 4-15 方案 2 布局 3）方案 3：电源层数 2，地层数 2，信号层数 4。如图 4-16 所示。10 图 4-16 方案 3 布局 4）方案 4：电源层数 2，地层数 2，信号层数 4。如图 4-17 所示。图 4-17 方案 4 布局 5）方案 5：电源层数 2，地层数 2，信号层数 4。如图 4-18 所示。图 4-18 方案 5 布局 对于在单电源的情况下，方案 2 比方案 1 减少了相邻布线层，增加了主电源和对应地相邻，以保证了所有信号层与地平面相邻，代价就是牺牲一布线层。而在双电源的情况下我们推荐使用方案 3，其兼顾了无相邻布线
21、层，层压结构对称，主电源与地相邻的优点，不足处是 S4 应减少关键布线。11 方案 4 无相邻布线层，层压结构对称，但电源平面阻抗较高，应适当加大3-4、5-6，缩小 2-3、6、7 层之间的间距。方案 5 与上一方案相比，本方案保证了电源、地平面相邻，但 S2 与 S3 相邻，S4 以 P2 作参考平面。对于低层关键布线较少以及 S2 和 S3 之间的线与线之间的窜扰能控制的情况下可以考虑本方案。4.1.7 十层板设计 十层板的设计方案众多，最常用的有以下 4 种。十层板结构如图 4-19 所示。图 4-19 十层板 1)方案 1：电源层数 1，地层数 3，信号层数 6。如图 4-20 所示
22、。图 4-20 方案 1 布局 2)方案 2：电源层数 1，地层数 4，信号层数 5。如图 4-21 所示。12 图 4-21 方案 2 布局 3)方案 3：电源层数 2，地层数 3，信号层数 5。如图 4-22 所示。图 4-22 方案 3 布局 4)方案 4：电源层数 2，地层数 4，信号层数 4。如图 4-23 所示。图 4-23 方案 4 布局 推荐方案 2、3，可用方案 1、4 方案 3：适当扩大 3-4 与 7-8 的各自间距，缩小了 5-6 的间距，主电源及其对应地应置于 6、7 层。优选布线层应是 S2、S3、S4 其次是 S1、S5。本方案适合信号布线要求相差不大的场合，兼顾
23、了性能以及成本。但需要注意避免 S2 与 S3之间的平行和长距离布线。13 方案 4：EMC 的效果极佳，但跟方案 3 相比，牺牲一布线层。在成本要求不高但对于 EMC 指标要求较高且必须双电源层的关键单板，我们建议采用此方案，优选布线层 S2、S3。对于单电源层的情况，首先考虑的是方案 2，其次是方案 1。方案 1 具有明显的成本优势，但相邻的布线过多，平行长度难以控制。4.1.8 十二层板设计 十二层板结构如图 4-24 所示。图 4-24 十二层板 方案设计如表 4-2 所示。表 4-2 十二层板布局方案 方案 1 2 3 4 5 电源层数 1 1 2 2 2 地层数 4 5 4 5 3
24、 信号层数 7 6 6 5 7 层 1 S1 S1 S1 S1 S1 层 2 G1 G1 G1 G1 G1 层 3 S2 S2 S2 S2 S2 层 4 G2 G2 G2 G2 S3 层 5 S3 S3 S3 S3 P1 层 6 P G3 P1 G3 G2 层 7 S4 P G3 P1 S4 层 8 G3 S4 S4 P2 S5 层 9 S5 G4 P2 G4 P2 层 10 S6 S5 S5 S4 S6 层 11 G4 G5 G4 G5 G3 层 12 S7 S6 S6 S5 S7 推荐方案 2、3，可用方案 1、4，备用方案 5 以上方案中，方案 2、4 具有极好的 EMC 性能，而方案
25、1、4 具有较好的性价比。对于十四层以及以上的单板，可以按照以上布局原则，根据实际情况具体分14 析。在具体的设计过程中可根据需要的电源层数、布线层数、特殊布线要求信号的数量、比例以及电源、地的分割情况，结合以上原则灵活掌握及运用。4.2 功能模块电路 PCB 的模块划分及关键器件的布局是某些频率发生器件、驱动器、电源模块、滤波器件等在 PCB 上的相应位置和方向，都会对电磁场的发射和接收产生巨大影响，另一方面以上布局的优劣将直接影响到布线的质量。4.2.1 功能模块布局 一个完整的设计包含了其中多种功能的电路模块，在进行 PCB 设计时，我们可以根据信号流向，对整个电路进行模块划分，从而保证
26、了整个布局的合理性，达到整体布线路径最短，各个模块互不交错减少模块间相互干扰的可能性。1）按频率划分 按照信号的工作频率和速度可以对电路模块进行划分为高、中、低电路。2）按信号的类型划分 按照信号的种类可以分成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，让它们达到兼容状态，在 PCB 布局时需要给它们定义不同的区域，从空间上进行必要的隔离以减小相互之间的耦合。对于数、模转换电路，如 A/D、D/A 转换的电路，应该布放在数字电路和模拟电路的交界处，器件布放的方向应以信号的流向为前提，使信号引线最短，并使模拟部分的管脚位于数字电路的上方。3）按功能划分 各种电路模块具有不同的功能
27、，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、滤波电路等等。1综合布局 电路布局的一个重要原则，就是应该按照信号的流向关系尽可能的做到，使关键的高速信号走线最短，其次考虑电路板的整齐，美观。时钟信号应尽可能的短，如无法缩短，应在时钟信号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，会对一些较敏感的电路，特别是模拟电路会产生较大的影响，因此在电路布局时应让时钟电路远离其他无关的线路。为了防止它的对外辐射，我们一般设计时就应让它远离I/O电路和电缆连接器。如图4-25所示。15 图 4-25 时钟信号远离电缆接口 低
28、频数字 I/O 电路和模拟 I/O 电路应靠近连接器排放，时钟电路、高速电路和存储器等器件常布放在电路板最靠里（远离拉手条）的位置。中低速逻辑电路一般布放在电路板的中间位置。如果有 A/D、D/A 电路，则应放在电路板最中间的位置。如图 4-26 所示。图 4-26 功能电路布局 下面是一些基本要点：电路元件和信号通路的布局，必须最大限度地减少无用信号的相互耦合。低电子信号通道不能靠近高电平信号通道和无滤波的电源线，包括能产生瞬态过程的电路。将低电平的模拟电路和数字电路分开，避免模拟电路、数字电路和电源公共回线产生公共阻抗耦合。高、中、低速逻辑电路在 PCB 上要用不同区域。安排电路时要使得信
29、号线长度最小。保证相邻板之间、同一板相邻层面之间、同一层面相邻布线之间不能有过长的平行信号线。电磁干扰（EMI）滤波器要尽可能靠近 EMI 源，并放在同一块线路板上。16 DC/DC 变换器、开关元件和整流器应尽可能靠近变压器放置，以使其导线长度最小。尽可能靠近整流二极管放置调压元件和滤波电容器。印制板按频率和电流开关特性分区，噪声元件与非噪声元件要距离再远一些。对噪声敏感的布线不要与大电流，高速开关线平行。（1）电源部分 在分散供电的单板上都要一个或多个 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单板电源输入部分。现代的开关电源多是 EMI 生产的重要源头，干扰频带
30、可达到 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单板上，而单板供电线路越长，其所产生的干扰问题越大，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的一侧。电源部分放置方向主要是考虑输入输出线的顺畅，避免交叉。因为单板的电源部分往往是相对比较独立的，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与其他电路部分进行隔离。如图 4-27所示。图 4-27 电源布局（2）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（在继电器选型时应尽量考虑采用固态继电器），建议线圈放置在离 EMI 源尽
31、量远的地方，发射源可能就是开关电源、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，如果不能避免一定要考虑线圈的方向问题，要确保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。(3)时钟部分 时钟往往是单板的最大干扰源，也是进行 PCB 设计时最需要特殊处理地方，17 布局时要使时钟源离单板板边（尤其是拉手条）尽量远，还要使时钟输出到负载的走线尽量的短。（在布线部分中我们讲过对时钟线要优先考虑排布在内层，并进行必要的匹配、屏蔽处理）。(4)总线驱动部分 随着系统的容量越来越大，总线的速频越来越高，总线的驱动能力要求也越来越高，而总线的数量也在大量增加，很难使总线
32、匹配做到完美，所以一般总线驱动器附近的辐射场很强很高，在部分单板的测量过程中。我们的总线驱动部分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要尽量远，以减少对系统外的辐射，同时要求驱动后信号到宿的距离要尽量的近。必要时可以考虑在大量的总驱动部分加局部屏蔽体。如图 4-28 所示。a）屏蔽盒 1 b)屏蔽盒 2 图 4-28 屏蔽(5)滤波部分 滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器 C，或与负载串联电感器 L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。18 由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器 C 在电源
33、供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容 C 具有平波的作用；与负载串联的电感 L，当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感 L 也有平波作用。滤波措施是必不可少的也是最常用的手段，在原理设计中经常注意到了很多滤波事项，如去三端电容、磁珠、耦电容、接口滤波、电源滤波等等，但在进行 PCB 设计时，如果滤波器件的位置不对，那末滤波的效果也会降低，甚至起不到滤波的作用。其安装一般考虑就近的原则，例如：电源滤波要尽量靠近电源输入或输出。去耦电容要尽量靠近
34、 IC 的电源管脚。局部功能模块的滤波要靠近模块的入口。对外接口的滤波要尽量靠近接插件等。4.3 滤波 滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带。通带和阻带之间的分界频率称为截止频率。理想滤波器在通带内的电压增益为常数，在阻带内的电压增益为零，实际滤波器的遗带和阻带之间存在一定的过渡带。4.3.1 滤波器的分类 滤波器是由电感器和电容器构成的网路，可使混合的交直流电流分开。电源整流器中，即借助此网路滤净脉动直流中的谐波，而
35、获得比较纯净的直流输出。最基本的滤波器，是由一个电容器和一个电感器构成，称为 L 型滤波。所有各型的滤波器，都是集合 L 型单节滤波器而成。基本单节式滤波器由一个串联臂及一个并联臂所组成，串联臂为电感器，并联臂为电容器。在电源及声频电路中之滤波器，最通用者为 L 型及 型两种。滤波器按照不同的类别分为不同的种类，主要有：按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器 2 种。按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器 4 种。按所采用的元器件分为无源和有源滤波器 2 种。无源滤波器：仅由无源元件(L 和 C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗，随频率的变化而变化的原理构成的。优点是：
36、电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，在低频域使用时电感的体积和质量较大。有源滤波器：由无源元件(一般用 R 和 C)和有源器件(如集成运算放大器)组成。优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用简单的级联方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积质量小、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件)；缺点是：通带范围受有源器件(如集成运算放大器)的带宽限制，而且需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。19 在 PCB 的设计中
37、，滤波既是包括专门信号滤波器设计，也包括大量电源滤波电容的使用。滤波必不可少的：其一，集成芯片的输出状态的变化或者其他原因，会使芯片供电电源上产生一定的噪音，影响芯片自身或其他芯片的正常工作。其二，通过其他方式不能完全抑制进出设备的传导噪音，必须进行有效的滤波。如图 4-29）所示。当 U7 的输出由 0 变成 1 时，需要电源 VCC 对电容 C 的充电(dl)来实现，电源供电回路上对脉冲充电电流也存在着等效电感 L，当电流变化时就会在等效电感上产生电压 V。V 一方面可以引起电路功能得失效，另一方面也是主要的辐射源，引起单板辐射的增大，因此为了消除上述影响，采用滤波电容可以解决。改进后的电
38、路图如图 4-29b）所示。a）滤波电路 b）改进后的滤波电路 图 4-29 电源滤波电容的应用 如图所示，当 IC1 的输出由 0 到 1 变化时，不再通过 VCC 提供 dl,而是通过滤波电容 C2 的放电来提供所需要的瞬时电流，来完成电路的逻辑转换，这样就可以避免电源线上等效电感 L 而引起的 电源噪音。4.3.2 滤波器件 常用的滤波器件有很多种，包括电阻、电容、电感、铁氧体磁珠等。器件的高频特性如图 4-30 所示。20 图 4-30 导线、电阻、电感与电容的高频特性和低频特性 1电阻 电阻不能单独用来做滤波的，它一般与电容结合组成 RC 滤波网络使用。在RC 滤波网络中，线绕电阻的
39、寄生电感很容易引起本机振荡，所以必须考虑由电阻引起的电感效应。2电容 电容是在滤波电路中最常用的器件，一般情况下，电解电容的作用是过滤掉电流中的低频信号，但即是是低频信号，其频率也分为了好几个数量级。因此为了适合在不同频率下使用，电解电容也分为高频电容和低频电容（这里的高频是相对而言）。低频滤波电容主要用于市电滤波或变压器整流后的滤波，其工作频率与市电一致为 50Hz；而高频滤波电容主要工作在开关电源整流后的滤波，其工作频率为几千 Hz 到几万 Hz。当我们将低频滤波电容用于高频电路时，由于低频滤波电容高频特性不好，它在高频充放电时内阻较大，等效电感较高。因此在使用中会因电解液的频繁极化而产生
40、较大的热量。而较高的温度将使电容内部的电解液气化，电容内压力升高，最终导致电容的鼓包和爆裂。电容内绝缘介质材料的特性是电容器综合性能的重要制约因素。实际的电容器不是纯电容，它是由等效电感、电容和等效电阻构成的串联网络。选择电容器类型时，工作频率是一个重要的因素。电容器的最高使用频率，通常受电容器的电感和引线长度限制。在某些频率上电容器因电感会产生自谐振荡。电容的谐振频率由等效电感和电容共同决定，电容的电感值越大，则谐振频率越低，也就是电容的高频滤波效果越差。等效电感与电容器的引线长度有很大的关系，引线越长，则电感越大，电容的谐振频率越低。因此，在实际应用中，应尽量使电容器的引线短一些。另外，电
41、容器中的介质参数受到温度和电压的影响会产生一定的变化，电容值也随之变化。3电感 21 由于电阻和寄生电容的存在，使电感存在一个自谐振频率 fe,电感在此低频范围内表现为电感的特性，但高于此频率范围则表现为电容的特性，这是在计算滤波器的插入耗损时特别需要注意的地方。常见的滤波电感主要有：共模滤波电感、差模滤波电感和整流滤波电感。前两种电感主要用于各种线路滤波器，工作在交流条件。而后一种亦称为平滑扼流圈的，用来滤除整流后的交流纹波，使整流后的直流部分更加平稳。由于它工作在直流条件，不得不考虑直流磁化对电感的影响。整流滤波电感工作在大直流电流条件，工作电流变化，引起电感值的变化越小越好。就是说要求磁
42、芯的直流磁化影响较小，即具有某种恒磁导特性。由于直流磁化的影响，电感趋于饱和，电感量会随着工作电流增加而减小。根据大家的共识，所谓恒磁导特性，亦可称为恒电感特性，是指电感在一定的直流磁化力范围内其电感量不低于初始电感量的一半。掌握了这个特性，我们可以通过挑选不同的磁芯，不同的规格，以达到不同的百分比的要求。4铁氧体磁珠 磁珠有很高的电阻率和磁导率，等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化。如图 4-31 所示。它比普通的电感有更好的高频滤波特性，在高频时呈现阻性，所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗，从而提高调频滤波效果。图 4-31 磁珠等效电路 作为电源滤波，可以使用电感。磁
43、珠的电路符号就是电感，但是型号上可以看出使用的是磁珠。在电路功能上，磁珠和电感是原理相同的，只是频率特性不同罢了。磁珠由氧磁体组成，电感由磁心和线圈组成，磁珠把交流信号转化为热能，电感把交流存储起来，缓慢的释放出去。磁珠对高频信号才有较大阻碍作用，一般规格有 100 欧/100mMHZ，它在低频时电阻比电感小得多。如图 4-32所示。铁氧体磁珠(Ferrite Bead)是目前应用发展很快的一种抗干扰组件，廉价、易用，滤除高频噪声效果显著。电感是储能元件，而磁珠是能量转换（消耗）器件。电感多用于电源滤波回路，侧重于抑止传导性干扰；磁珠多用于信号回路，主要用于 EMI 方面。磁珠用来吸收超高频信
44、号，象一些 RF 电路，PLL，振荡电路，含超高频存储器电路（DDR、SDRAM、RAMBUS 等）都需要在电源输入部分加磁珠，而电感是一种储能元件，用在 LC 振荡电路、中低频的滤波电路等，其应用频率范围很少超过 50MHz。22 图 4-32 典型的铁氧体磁珠的频率特性 5共模电感 共模电感插入传输导线对中，可以同时抑制每根导线对地的共模高频噪声。通常的做法是把两个相同的线圈绕在同一个铁氧体环上，铁氧体磁损较小，绕制的方法使得两线圈在流过共模电流时，磁环中的磁通相互叠加，从而具有相当大的电感量，对共模电流起到抑制作用。而当两线圈流过差模电流时，磁环中的磁通相互抵消，几乎没有电感量，所以差模
45、电流可以无衰减的通过。如图 4-33 所示。共模电感实质上是一个双向滤波器：一方面要滤除信号线上共模电磁干扰，另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。图 4-33 典型的共模电感的频率特性 4.3.3 滤波电路 在 EMC 的设计中，由于滤波的作用基本上是衰减高频噪音，所以滤波器通常都设计为低通滤波器。23 1电阻滤波电路 RC-型滤波电路，实质上是在电容滤波的基础上再加一级 RC 滤波电路组成的。如图 4-34 所示滤波电路。若用 S 表示 C1 两端电压的脉动系数，则输出电压两端的脉动系数 S=(1/C2R)S。由分析可知，电阻 R 的作用是将
46、残余的纹波电压降落在电阻两端，最后由 C2 再旁路掉。在 值一定的情况下，R 愈大，C2愈大，则脉动系数愈小，也就是滤波效果就越好。而 R 值增大时，电阻上的直流压降会增大，这样就增大了直流电源的内部损耗；若增大 C2 的电容量，又会增大电容器的体积和重量，实现起来也不现实。这种电路一般用于负载电流比较小的场合。图 4-34 电阻滤波 2电感滤波电路 根据电抗性元件对交、直流阻抗的不同，由电容 C 及电感 L 所组成的滤波电路的基本形式如图 4-35 所示。因为电容器 C 对直流开路，对交流阻抗小，所以 C 并联在负载两端。电感器 L 对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此 L 应与负载串联。图 4
47、-35 电感滤波 3.电容滤波电路 图 4-36 电容滤波 24 图 4-36 所示为电容滤波器，适用于高频时源阻抗和负载阻抗较大的场合。4.EMI 滤波器 还有一种经常使用的滤波器是电源用 EMI 滤波器。其结构形式如图 4-37 所示。图 4-37 电源 EMI 滤波器 电源滤波器有两个输入端、两个输出端和一个接地端，使用时外壳应接通大地。电路中包括共模扼流圈（亦称共模电感）L、滤波电容 C1C4。L 对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过耦合后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。它的两个线圈分别绕在低损耗、高导
48、磁率的铁氧体磁环上，当有电流通过时，两个线圈上的磁场就会互相加强。L 的电感量与 EMI 滤波器的额定电流I 有关。需要指出，当额定电流较大时，共模扼流圈的线径也要相应增大，以便能承受较大的电流。此外，适当增加电感量，可改善低频衰减特性。C1 和 C2 采用薄膜电容器，容量范围大致是 0.01F0.47F,主要用来滤除串模干扰。C3 和 C4跨接在输出端，并将电容器的中点接地，能有效地抑制共模干扰。C3 和 C4 亦可并联在输入端，仍选用陶瓷电容，容量范围是 2200pF0.1F。为减小漏电流，电容量不得超过 0.1F，并且电容器中点应与大地接通。C1C4 的耐压值均为630VDC 或 250
49、VAC。4.3.4 滤波器的布局与布线 滤波器电路在布局布线时必须严格注意以下 4 点：滤波电路的地应该是一个低阻的地，同时不同的功能电路之间不存在共同阻抗；滤波电路的输入输出不能相互交叉走线，需要隔离；在设计中，同时应该注意使信号路径尽量短，尽量简洁，尽量减小滤波电容的等效串联电感和等效串联电阻；接口滤波电路应该尽量靠近接插件。4.4 地 在电力系统中，将设备和用电装置的中性点、外壳或支架与接地装置用导体作良好的电气连接叫做接地。接地就是指在系统与某个电位基准面之间建立低阻的导电通路。“接大地”就是以地球的电位为基准，并以大地作为零电位，把电子设备的金属外壳、电路基准点与大地相连接。工作接地
50、是为了使系统以及与之相连的仪表，均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。它分为机器逻辑地、信号回路接地、屏蔽接地。机器逻辑地，也叫主机电源地，是计算机内部的逻辑电平负端公共地，也是+5V 等电源的输出地。信号回路25 接地，如各变送器的负端接地，开关量信号的负端接地等。屏蔽接地是输入信号的屏蔽层的接地。接地的作用总的来说可以分为两个：保护人员和设备不受损害叫保护接地；保障设备的正常运行的叫工作接地。保护接地主要是实现静电泄放，提高设备的工作稳定性，保护人身安全。接地是抑制电磁干扰、提高电子设备EMC 性能的重要手段之一，正确的接地既能提高产品抑制电磁干扰的能力，又能减少产品对外的 EMI