PCB的电磁兼容测试设计方案

引言

随着电子设备的集成度提高、频率增加和尺寸减小，电磁兼容（EMC）问题日益突出。良好的EMC设计不仅能保证设备在电磁环境中的正常运行，还能减少对其它设备的干扰。本文旨在详细探讨PCB的电磁兼容测试设计方案，并特别关注主控芯片的选择及其在设计中的作用。

1. 电磁兼容测试设计方案概述

电磁兼容设计主要涉及两个方面：抗干扰能力和干扰控制。抗干扰能力是指设备能够在电磁干扰环境下正常工作；干扰控制则是指设备在正常工作时不对其他设备产生不可接受的干扰。在高功率PCB设计中，这两个方面尤为重要，因为高功率电路更容易产生和受到电磁干扰。

1.1 抗干扰能力设计

为了提升系统的抗干扰能力，设计PCB板时应考虑以下几个方面：

• 合理布局：

• 尽可能减少高频率电子器件之间的联线，降低它们的分布参数和相互之间的干扰信号。

• 一些电子器件或导线之间可能有较高的工作电压，应增加它们之间的间距，以防放电引起意外短路。

• 热值大的元件应留出散热空间，甚至应将其装在整个设备的底板上，以利于散热。

• 依照电源电路的步骤安排各功能模块的位置，使布局有利于信号流通，并使信号尽量高度一致的方向。

• 以每个功能模块的关键元件为中心，围绕它进行布局，尽量减少和缩短各元件之间的导线和连接长度。

• 充分考虑各元件之间的分布参数，尽量使元件平行排列，这样不仅有利于提高抗干扰性，而且外观美观，便于大批量生产。

• 走线设计：

• 总体原则是先布时钟、敏感电源线，再布高速电源线，最后布不关键电源线。

• 在多层板走线中，相邻层之间最好采用“井”字型多孔结构。

• 减少导线弯曲，避免导线宽度突然变化，为防止阻抗变化，电源线转角处应设计成弧形或用45度曲线连接。

• PCB板的最表层导线或元件离电路板边缘距离不低于2mm，这不仅可防止阻抗变化，还有利于PCB夹装。

• 针对必须铺设大规模去铜箔的元件，应用栅格状，并通过过孔与地质结构连接。

• 短而细的导线能有效抑制干扰，但过小的图形界限会增加导线电阻，导线的最小宽度可根据导线的最大电流而定。

• 接地与电源设计：

• 根据线路板PCB电流的大小，尽可能加粗电源插头和接地线的宽度，降低环路电阻，同时使电源插头接地线的走向和数据传输方向一致，有利于提高抗噪声能力。

• 尽量采用贴片式元件，减少引脚长度，降低去耦电容器供电系统回路面积，降低元件分布电感的危害。

• 在环形变压器前端加电源滤波器，抑制共模噪声和差模噪声，防护外界和内部脉冲噪声的干扰。

• 线路板的供电线路应增加滤波电容。

1.2 干扰控制设计

干扰控制主要是通过电磁屏蔽、滤波和接地等手段来实现的。

• 电磁屏蔽：

• 在高功率PCB中，通过合理布局，确保高电流路径形成的环路面积尽可能小，以减少辐射干扰。

• 使用多层PCB设计，利用内层作为电源层和地层，可以有效屏蔽干扰。

• 对于特别敏感或发射辐射的部分，可以考虑使用金属屏蔽。

• 滤波：

• 在输入输出端口使用滤波器，可以有效抑制高频干扰信号。

• 还可以使用电磁干扰抑制元件，如铁氧体磁环、电感、电容等，来抑制高频干扰。

• 接地：

• 良好的接地设计是EMC设计的基础，应尽量做到单点接地，以减少地环路引起的干扰。

2. 主控芯片的选择及其在设计中的作用

主控芯片是PCB设计的核心，其性能和特性直接影响整个系统的EMC表现。在选择主控芯片时，需要考虑以下几个方面的因素：

• 工作频率和速度：芯片的工作频率和速度直接影响其产生的电磁辐射强度。高速芯片会产生更高的电磁干扰（EMI），因此在选择芯片时，应在保证性能的前提下，尽量选择频率较低的芯片。

• 封装形式：芯片的封装形式对EMC表现也有重要影响。一般地，贴片器件的寄生参数小于插装器件，BGA封装的寄生参数小于QFP封装。寄生参数较小的封装形式有助于减少EMI辐射。

• 电源管理：稳定的电源供应可以减少由电源引起的干扰。低功耗、高性能的芯片在EMC设计中表现良好。通过合理的电源管理和滤波设计，可以减少其产生的电磁辐射。

以下是几种常见的主控芯片型号及其在设计中的作用：

2.1 ESP32

ESP32是Espressif公司推出的一款低功耗、高性能的Wi-Fi和蓝牙SoC（系统级芯片），适用于物联网应用。

• 型号：ESP32

• 作用：

• 集成了Wi-Fi和蓝牙功能，支持多种无线通信协议。

• 具有高性能的CPU和丰富的外设接口，适用于复杂的嵌入式系统。

• 在EMC设计中，ESP32的电源管理和信号完整性设计尤为重要。通过合理的电源滤波和信号隔离，可以减少其产生的电磁干扰，并提高系统的整体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，广泛应用于工业自动化、汽车电子等领域。

• 型号：STM32F030C8T6、STM32F303VCT6、STM32F051K6U6等

• 作用：

• 具有高性能的CPU和丰富的外设接口，支持多种通信协议和接口标准。

• 在EMC设计中，可以通过合理的布局和布线，减少其产生的电磁辐射，并提高其抗干扰能力。

• 适用于需要高性能和低功耗的嵌入式系统。

2.3 PIC系列

PIC系列是Microchip公司推出的一款高性能微控制器，广泛应用于工业自动化、汽车电子等领域。

• 型号：PIC32MX系列、PIC32MZ系列等

• 作用：

• 具有高性能的CPU和丰富的外设接口，适用于复杂的嵌入式系统。

• 在EMC设计中，可以通过合理的布局和布线，减少其产生的电磁辐射，并提高其抗干扰能力。

• 支持多种通信协议和接口标准，适用于多种应用场景。

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，广泛应用于消费电子、智能家居等领域。

• 型号：ATmega328P等

• 作用：

• 具有高性能的CPU和丰富的外设接口，支持多种通信协议和接口标准。

• 在EMC设计中，可以通过合理的电源管理和信号完整性设计，减少其产生的电磁干扰，并提高其抗干扰能力。

• 适用于需要低功耗和高性能的嵌入式系统。

3. 电磁兼容测试板的设计

在进行电磁兼容测试时，通常需要设计专用的测试板。以下是测试板设计的一些基本要求：

• 板厚：推荐板厚为1.6mm，在板角处可以加孔。

• 边缘处理：板的所有边缘参考地至少应镀锡或露铜5mm，使之导电以便与TEM（横电磁波小室）小室的参考地良好接触。也可以选择在板子的边缘镀金。

• 过孔设计：板边缘的过孔应距离边缘至少5mm远。所有过孔直径应根据需要设计，一般要求不小于0.2mm。

• 叠层结构：建议最小叠层为2层板，可根据测试系统的复杂程度、布局布线的复杂程度和信号完整性要求，采用4层板、6层板或更多层的叠层结构。

• 电源去耦和IO负载设计：需结合芯片的典型应用场景的推荐电路进行设计。

• 阻抗匹配：针对传导耦合测试，对应耦合网络的走线还需要保证50Ω的阻抗，使之与测试设备的特征阻抗匹配。

4. 测试与验证

在完成PCB设计和主控芯片选择后，需要进行测试和验证，以确保系统的电磁兼容性。测试方法包括：

• 传导测试：通过传导耦合网络测试PCB的传导发射和传导敏感度。

• 辐射测试：使用天线或横电磁波小室测试PCB的辐射发射和辐射敏感度。

• 瞬态脉冲测试：测试PCB对瞬态脉冲干扰的抵抗能力。

• 静电放电测试：测试PCB对静电放电的抵抗能力。

通过综合使用这些测试方法，可以全面评估PCB的电磁兼容性，并进行必要的优化和改进。

5. 结论

电磁兼容设计是PCB设计中的重要环节，直接关系到设备的可靠性和稳定性。通过合理选择主控芯片、优化布局布线、加强电磁屏蔽和滤波设计等措施，可以显著提高系统的电磁兼容性。随着技术的发展，未来的EMC设计将更加集成化、智能化，以适应日益复杂的电子环境。通过不断改进和优化设计方案，可以推动电子产品向更高性能、更低功耗和更高可靠性方向发展。