作者： 卓晴，文章來源： TsinghuaJoking微信公眾號

簡 介： 本文給出了對于電機控制功率電路在PCB布線方面需要考慮的因素，特別是針對于如何提高電路的電磁兼容性，本文給出了從電路板的選擇，地線鋪設等方面的考慮。最后通過實際案例展示這些方法的應用。

前言

在每年的 全國大學生智能車競賽中[1] ，都會有很多的同學碰到車模車輪在PVC跑道上摩擦產生靜電的干擾。比如在博文 腳氣引起的牙周炎[2] 記錄的同學使用防靜電膠帶對車輪纏繞，減少靜電對電磁檢測電路的影響。

提問1：卓大大，我們的三輪車跑起來電感值莫名其妙地跳變，而且跳變得還挺厲害。這是在無電磁線推下車，電感值的波形。然后在輪胎上裹了一層防靜電膠帶，跳變現象就沒有了，卓大大幫我們分析分析吧。

圖1 車輪胎上捆綁防靜電膠帶

圖2 靜電放電對于電磁檢測電路輸出信號的干擾

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。

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。

??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

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。

??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。

??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。

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di/dt,du/dt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。

?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。

??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）。

??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。

??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。

??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。

??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。

??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。

??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；

圖1.3.1 電路分割一種方案

另外，為了高效進行PCB規劃和布線，采用圖形工具來進行。

??在每一個電路功能模塊中，電磁干擾源可以通過原理圖來找到。由于底線布局對于滿足電磁干擾兼容性非常重要，所以不同模塊通過底線清晰的分割開來。當然這僅僅是模塊和地線布局的理想模型，在設計的時候需要盡可能多的靠近這樣的布局。

??到此為止，我們采用了從上到下設計策略來滿足電磁兼容性要求，這樣做的好處是可以確定影響全局的電磁干擾源，采用電路分割策略從而為減少電磁干擾布局奠定良好的基礎。

1.4 布線與電磁干擾：PCB選擇和布線規范
??下面，我們開始討論自下而上的方法來達到電磁兼容性要求，其中包括有智能布線，電磁發射元的布局以及他們相互之間的連接和影響。

1.4.1 PCB
??既然電路最終通過PCB來設計和實現，所以我們需要考慮PCB的選擇方案，能夠比較好地解決電磁干擾問題。

??與電磁波長相當的導體會對電磁干擾敏感，也會成為電磁干擾信號的發射源，所以在設計的時候需要選擇PCB基板材料具有最低的介電系數。

??FR4通常用于低頻電路設計中，由于采用了環氧樹脂作為絕緣層，所以它的介電常數達到了4 。

??PCB基本的厚度也很重要，因為它決定了不同鋪設層之間的耦合程度。導線的寬度與電路板的厚度的比值決定了兩層導線之間的耦合程度，這也對控制電磁干擾十分重要。

??PCB的可用布線的層數是影響特定設計中的電磁兼容特性的重要因素。之所以重要，是因為它限制了底線鋪設的方式，也確定了總的電磁干擾行為。通過鋪設地層，使得器件接地比較容易，通過地線屏蔽作用是控制電磁干擾的關鍵。

??下圖中顯示了單面板的結構，所有的電源線、控制線以及地線都需要在PCB單面來完成。這使得布線和控制電磁兼容性問題變得復雜起來。在同一層電路之間可能會產生相互的干擾。器件接地也變得不容易。

??采用單面PCB時，電路板的四周需要盡可能用于鋪設地線，對于電路中沒有引線的部分，也需要鋪銅并連接到地線。對于沒有連接到地線的鋪銅需要去除。采用單面板在設計可靠的電磁兼容性時缺少靈活的手段。

圖1.4.2 單面板中的鋪銅

采用雙面板來設計電路時，則可以將其中一面單獨用于地線，降低布線的復雜度。相對于單面板來說費用也僅僅高一點。但在電源和控制模塊之間的干擾還是存在，因此將電路中的電磁干擾源與其他電路分開比較關鍵。

圖1.4.3 雙面板結構

圖1.4.4 具有通孔來焊接帶有管腳的器件

四層板往往費用比較高，但可以利用獨立的電源層來達到好的自屏蔽效果。也能夠在電路板雙面放置元器件。

??在下面兩種四層板布局中，左邊方法將電源層設置在電路板內部，散熱受限，也會對底部信號層產生影響。位于上下兩層的信號線對于外部電磁干擾源也會敏感。

??右邊測量則是將地線層放在最外邊，有著強的抗擊外部干擾源的作用，但內部電路之間會有很大的自干擾。

圖1.4.5 兩種四層板布局

1.4.2 地線
??好的地線策略會解決干擾源以及敏感電路的問題。首先需要考慮PCB中的對所有信號的參考地線的防止，通常是PCB上的物理點，有時PCB放置在機架或者金屬外殼內，電路板上的這一點也會與機架或者金屬外殼相連。

??接下來需要盡可能保證電路地線到這一點的路徑最短，通常需要在考慮到可用面積進行權衡：

單面板中由于沒有專用底層，所以地線結構考慮困難；

兩層板可以設置一層作為獨立的地線層，電源線和信號線都用剩下的一層；

具有兩層以上的電路板則在地線放置的時候具有更多的靈活性，對于提高電磁干擾的能力也非常大。

圖1.4.6 多層電路板PCB布局

（1）降低地線阻抗

圖1.4.7 降低地線環路長度

圖1.4.8 改進后的電路布局

圖1.4.9 推薦的電路布局

（2）地線結構

圖1.4.10 通過過孔接地的方式

圖1.4.11 改進后的地線環路

（3）電路連接

圖1.4.12 地線集結方式

圖1.4.13 對于三相電源系統的布局

1.5 PCB布線技巧

圖1.5.1 鋪銅電路需要連接地線

圖1.5.2 電源線和地線布局

圖1.5.3 去耦電容放置建議

圖1.5.4 引線45°角建議

1.6 案例舉例
1.6.1 案例1

圖1.6.1 案例1：電路板

圖1.6.2 改進后的PCB

1.6.2 案例2

圖1.6.3 案例2 ：PCB

圖1.6.4 案例2：改進后電路

1.6.3 案例3

圖1.6.5 案例3：PCB

1.6.4 案例4

圖1.6.6 案例4：PCB

1.6.5 案例5

圖1.6.7 案例5：PCB

1.6.6 案例6

圖1.6.8 案例6：PCB

布線總結
本文給出了對于電機控制功率電路在PCB布線方面需要考慮的因素，特別是針對于如何提高電路的電磁兼容性，本文給出了從電路板的選擇，地線鋪設等方面的考慮。最后通過實際案例展示這些方法的應用。

參考資料
[1]全國大學生智能車競賽中

[2]腳氣引起的牙周炎

[3]電機控制應用中的電磁兼容性設計與測試標準

[4]EMC design guides for motor control applications

審核編輯 黃宇