提高電路板EMC能力PCB設(shè)計(jì)和布線方法

在 電機(jī)控制應(yīng)用中的電磁兼容性設(shè)計(jì)與測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[3] 介紹了 EMC design guides for motor control applications[4] 中的前半部分，關(guān)于電機(jī)控制電路中的EMC防范標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)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(xì)節(jié)內(nèi)容省略了。下面將該文檔的后半部分摘錄。

01 PCB設(shè)計(jì)與布線

為了使得電機(jī)控制電路滿足電磁兼容性（EMC）標(biāo)準(zhǔn)，EMC要求應(yīng)該作為產(chǎn)品定義的一部分，并隨之將目標(biāo)在電路設(shè)計(jì)，器件選擇以及PCB布線過程中關(guān)注電磁干擾輻射以及降低電路對(duì)電磁干擾的敏感性。

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下圖顯示了高度集成電機(jī)控制設(shè)計(jì)電路的一般電路結(jié)構(gòu)。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(duì)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(yīng)電機(jī)逆變電路

1.1 EMC總覽

下圖給出一個(gè)簡單產(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

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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，電源開關(guān)以及閃電等。在微控制器系統(tǒng)中， 時(shí)鐘電路通常會(huì)產(chǎn)生寬帶噪聲。

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盡管所有的電子線路都可能會(huì)接收電磁干擾信號(hào)，但最敏感電路信號(hào)包括：復(fù)位、中斷、故障檢測(cè)、保護(hù)以及控制信號(hào)線。模擬放大器，控制電路以及電源穩(wěn)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(dǎo)：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(gè)接近的導(dǎo)體或者引線之間存在各種電場(chǎng)，當(dāng)間距小于電磁波波長會(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(dǎo)體或者引線之間存在磁場(chǎng)，當(dāng)間距小于電磁波波長的時(shí)候會(huì)在接收導(dǎo)體上引起電壓的變化；

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

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電機(jī)控制電路中的開關(guān)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(qiáng)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(hào)，他們比較容易通過傳導(dǎo)或者無線電波輻射干擾到電機(jī)控制電路的其它電路，使得它們產(chǎn)生故障。

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設(shè)計(jì)人員通常使用阻尼電路或者軟開關(guān)技術(shù)來極大降低開關(guān)電源中的電磁干擾。

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令人驚奇的是，由于現(xiàn)在的功率晶體管通常具有比應(yīng)用需求更高的開關(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)使得電磁干擾問題復(fù)雜化。這些高頻干擾信號(hào)有可能達(dá)到無線電波發(fā)射的頻段，所以有時(shí)也被稱為射頻干擾（RFI）。

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逆變以及驅(qū)動(dòng)電路具有產(chǎn)生電磁干擾的能力，電路設(shè)計(jì)者需特別關(guān)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(hào)的產(chǎn)生。如果使用分離的IGBT，或者M(jìn)OSFET器件，設(shè)計(jì)人員可以靈活使用門極串聯(lián)電阻來控制功率管的開關(guān)特性，在功耗損失與電磁干擾之間進(jìn)行折中。

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

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在電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)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(rèn)了電磁干擾源以及有干擾電路，那么在電路性能以及費(fèi)用約束條件下對(duì)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

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一旦最初電路設(shè)計(jì)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(gè)階段可以考慮通過分割策略，考慮不同三維結(jié)構(gòu)的器件布局和布線如何影響最終產(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(shè)計(jì)所需要遵守的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)；

??2. 電路設(shè)計(jì)階段：在原理圖實(shí)現(xiàn)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(duì)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(shè)計(jì)出合適的電路分割策略，可以進(jìn)行高效電路連接和規(guī)劃。

1.2 電路分割策略

對(duì)于電磁干擾影響重要的PCB布線結(jié)構(gòu)和布局關(guān)鍵因素包括：

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

??2. 地線： 確定電路地線結(jié)構(gòu)，它直接影響PCB種類的選擇；

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

??4. 耦合路徑： 確定在功能模塊之間的信號(hào)交換最佳手段，對(duì)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(duì)于安放位置有要求，需要進(jìn)行特殊處理。

??6. 屏蔽： 對(duì)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(duì)PCB增加屏蔽罩。

1.3 電路分割

經(jīng)過周密規(guī)劃之后，需要對(duì)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)過考慮到所有主要EMI的問題之后的結(jié)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(jìn)行分割；

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