提高電路板EMC能力PCB設計和布線方法

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

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

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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

下圖給出一個簡單產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

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電磁干擾源包括微控制器，電荷放電器件，發送器，功率瞬變器件比如電磁繼電器，電源開關以及閃電等。在微控制器系統中， 時鐘電路通常會產生寬帶噪聲。

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盡管所有的電子線路都可能會接收電磁干擾信號，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。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。

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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、電纜或者路徑連接；

●    電容：在兩個接近的導體或者引線之間存在各種電場，當間距小于電磁波波長會在空隙之間引起電壓的變化；

●    電感或者磁場：在兩個平行導體或者引線之間存在磁場，當間距小于電磁波波長的時候會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，發射與接收之間相當于無線電天線，電磁干擾從干擾源發送，輻射出的電磁波在空氣中傳播。

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電機控制電路中的開關電源通常是電磁干擾的主要來源。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，他們比較容易通過傳導或者無線電波輻射干擾到電機控制電路的其它電路，使得它們產生故障。

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設計人員通常使用阻尼電路或者軟開關技術來極大降低開關電源中的電磁干擾。

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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關頻率，一些特定電路部分可能不經意間將噪聲以及諧波分量進行放大，這樣會使得電磁干擾問題復雜化。這些高頻干擾信號有可能達到無線電波發射的頻段，所以有時也被稱為射頻干擾（RFI）。

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逆變以及驅動電路具有產生電磁干擾的能力，電路設計者需特別關注功率晶體管器件的打開和截止特性，盡可能降低這些電路的電磁干擾信號的產生。如果使用分離的IGBT，或者MOSFET器件，設計人員可以靈活使用門極串聯電阻來控制功率管的開關特性，在功耗損失與電磁干擾之間進行折中。

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

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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，可以通過旁路、濾波以及緩沖等主要手段來避免他們失效。

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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行優化。

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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。這個階段可以考慮通過分割策略，考慮不同三維結構的器件布局和布線如何影響最終產品的電磁干擾性能。很多電磁兼容性問題的麻煩通常都是在電路分割和布線過程中被發現和解決的。

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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：在原理圖實現過程中，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線電傳遞途徑。

??3. 設計出合適的電路分割策略，可以進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布線結構和布局關鍵因素包括：

??1. PCB： 確定PCB種類，包括尺寸和層數，通常由費用決定；

??2. 地線： 確定電路地線結構，它直接影響PCB種類的選擇；

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

??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，需要進行特殊處理。

??6. 屏蔽： 對于電磁干擾的其它方法最終無法滿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

經過周密規劃之后，需要對電路進行按部就班（遵照邏輯）進行實際分割。下圖中的電路分割模型，是經過考慮到所有主要EMI的問題之后的結果，總體上來看它顯示了：

●    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底線進行分割；

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