作者： 卓晴，文章來源： TsinghuaJoking微信公眾號(hào)

簡 介： 本文給出了對(duì)于電機(jī)控制功率電路在PCB布線方面需要考慮的因素，特別是針對(duì)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(shè)等方面的考慮。最后通過實(shí)際案例展示這些方法的應(yīng)用。

前言

在每年的 全國大學(xué)生智能車競賽中[1] ，都會(huì)有很多的同學(xué)碰到車模車輪在PVC跑道上摩擦產(chǎn)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(xué)使用防靜電膠帶對(duì)車輪纏繞，減少靜電對(duì)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(xiàn)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(duì)于電磁檢測電路輸出信號(hào)的干擾

在 電機(jī)控制應(yīng)用中的電磁兼容性設(shè)計(jì)與測試標(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。

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。

??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

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。

??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、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。

??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，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：在兩個(gè)平行導(dǎo)體或者引線之間存在磁場，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。

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di/dt,du/dt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。

?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。

??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）。

??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MOSFET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。

??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。

??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。

??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。

??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。

??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；

圖1.3.1 電路分割一種方案

另外，為了高效進(jìn)行PCB規(guī)劃和布線，采用圖形工具來進(jìn)行。

??在每一個(gè)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(duì)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(dāng)然這僅僅是模塊和地線布局的理想模型，在設(shè)計(jì)的時(shí)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(shè)計(jì)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(chǔ)。

1.4 布線與電磁干擾：PCB選擇和布線規(guī)范
??下面，我們開始討論自下而上的方法來達(dá)到電磁兼容性要求，其中包括有智能布線，電磁發(fā)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(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，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(dāng)?shù)膶?dǎo)體會(huì)對(duì)電磁干擾敏感，也會(huì)成為電磁干擾信號(hào)的發(fā)射源，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要選擇PCB基板材料具有最低的介電系數(shù)。

??FR4通常用于低頻電路設(shè)計(jì)中，由于采用了環(huán)氧樹脂作為絕緣層，所以它的介電常數(shù)達(dá)到了4 。

??PCB基本的厚度也很重要，因?yàn)樗鼪Q定了不同鋪設(shè)層之間的耦合程度。導(dǎo)線的寬度與電路板的厚度的比值決定了兩層導(dǎo)線之間的耦合程度，這也對(duì)控制電磁干擾十分重要。

??PCB的可用布線的層數(shù)是影響特定設(shè)計(jì)中的電磁兼容特性的重要因素。之所以重要，是因?yàn)樗拗屏说拙€鋪設(shè)的方式，也確定了總的電磁干擾行為。通過鋪設(shè)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(guān)鍵。

??下圖中顯示了單面板的結(jié)構(gòu)，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(fù)雜起來。在同一層電路之間可能會(huì)產(chǎn)生相互的干擾。器件接地也變得不容易。

??采用單面PCB時(shí)，電路板的四周需要盡可能用于鋪設(shè)地線，對(duì)于電路中沒有引線的部分，也需要鋪銅并連接到地線。對(duì)于沒有連接到地線的鋪銅需要去除。采用單面板在設(shè)計(jì)可靠的電磁兼容性時(shí)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(shè)計(jì)電路時(shí)，則可以將其中一面單獨(dú)用于地線，降低布線的復(fù)雜度。相對(duì)于單面板來說費(fèi)用也僅僅高一點(diǎn)。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(guān)鍵。

圖1.4.3 雙面板結(jié)構(gòu)

圖1.4.4 具有通孔來焊接帶有管腳的器件

四層板往往費(fèi)用比較高，但可以利用獨(dú)立的電源層來達(dá)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(shè)置在電路板內(nèi)部，散熱受限，也會(huì)對(duì)底部信號(hào)層產(chǎn)生影響。位于上下兩層的信號(hào)線對(duì)于外部電磁干擾源也會(huì)敏感。

??右邊測量則是將地線層放在最外邊，有著強(qiáng)的抗擊外部干擾源的作用，但內(nèi)部電路之間會(huì)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(huì)解決干擾源以及敏感電路的問題。首先需要考慮PCB中的對(duì)所有信號(hào)的參考地線的防止，通常是PCB上的物理點(diǎn)，有時(shí)PCB放置在機(jī)架或者金屬外殼內(nèi)，電路板上的這一點(diǎn)也會(huì)與機(jī)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(diǎn)的路徑最短，通常需要在考慮到可用面積進(jìn)行權(quán)衡：

單面板中由于沒有專用底層，所以地線結(jié)構(gòu)考慮困難；

兩層板可以設(shè)置一層作為獨(dú)立的地線層，電源線和信號(hào)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(shí)候具有更多的靈活性，對(duì)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(huán)路長度

圖1.4.8 改進(jìn)后的電路布局

圖1.4.9 推薦的電路布局

（2）地線結(jié)構(gòu)

圖1.4.10 通過過孔接地的方式

圖1.4.11 改進(jìn)后的地線環(huán)路

（3）電路連接

圖1.4.12 地線集結(jié)方式

圖1.4.13 對(duì)于三相電源系統(tǒng)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(jìn)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(jìn)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(jié)
本文給出了對(duì)于電機(jī)控制功率電路在PCB布線方面需要考慮的因素，特別是針對(duì)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(shè)等方面的考慮。最后通過實(shí)際案例展示這些方法的應(yīng)用。

參考資料
[1]全國大學(xué)生智能車競賽中

[2]腳氣引起的牙周炎

[3]電機(jī)控制應(yīng)用中的電磁兼容性設(shè)計(jì)與測試標(biāo)準(zhǔn)

[4]EMC design guides for motor control applications

審核編輯 黃宇