【導讀】本文給出了對於電機控製功率電路在PCB布bu線xian方fang麵mian需xu要yao考kao慮lv的de因yin素su
，特te別bie是shi針zhen對dui於yu如ru何he提ti高gao電dian路lu的de電dian磁ci兼jian容rong性xing，本ben文wen給gei出chu了le從cong電dian路lu板ban的de選xuan擇ze，地di線xian鋪pu設she等deng方fang麵mian的de考kao慮lv。最zui後hou通tong過guo實shi際ji案an例li展zhan示shi這zhe些xie方fang法fa的de應ying用yong。

00 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幹擾。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zhuo大da大da
，我wo們men的de三san輪lun車che跑pao起qi來lai電dian感gan值zhi莫mo名ming其qi妙miao地di跳tiao變bian，而er且qie跳tiao變bian得de還hai挺ting厲li害hai。這zhe是shi在zai無wu電dian磁ci線xian推tui下xia車che
，電dian感gan值zhi的de波bo形xing。然ran後hou在zai輪lun胎tai上shang裹guo了le一yi層ceng防fang靜jing電dian膠jiao帶dai，跳tiao變bian現xian象xiang就jiu沒mei有you了le，卓zhuo大da大da幫bang我wo們men分fen析xi分fen析xi吧ba。

圖1  車輪胎上捆綁防靜電膠帶

圖2  靜電放電對於電磁檢測電路輸出信號的幹擾

在 電機控製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，關於電機控製電路中的EMC防範標準和測試方法。由於篇幅將該文檔的後半部分
，也就是具體PCB布線考慮細節內容省略了。下麵將該文檔的後半部分摘錄。

01 PCB設計與布線

為了使得電機控製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
，並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幹擾輻射以及降低電路對電磁幹擾的敏感性。

下xia圖tu顯xian示shi了le高gao度du集ji成cheng電dian機ji控kong製zhi設she計ji電dian路lu的de一yi般ban電dian路lu結jie構gou。這zhe裏li，可ke以yi看kan到dao它ta包bao含han有you各ge種zhong功gong能neng模mo塊kuai。需xu要yao考kao慮lv其qi中zhong哪na些xie功gong能neng可ke能neng產chan生sheng電dian磁ci輻fu射she
，或huo者zhe對dui於yu電dian磁ci幹gan擾rao敏min感gan，以yi及ji它ta們men之zhi間jian可ke能neng存cun在zai的de耦ou合he路lu徑jing。

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幹擾的組成部分：

●    電磁幹擾源；

●    電磁耦合路徑

●    電磁幹擾影響器件或接受器件
；

圖1.1.1 電磁幹擾模型

電磁幹擾源包括微控製器，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。在微控製器係統中
， 時鍾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幹擾信號，但最敏感電路信號包括：複位、中斷
、故障檢測
、保護以及控製信號線。模擬放大器
，控製電路以及電源穩壓電路等也容易受到噪聲的幹擾。

在幹擾源和接收電路中間的耦合路徑包括：

●    傳導：在幹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，當間距小於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，當間距小於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：dangganraoyuanyujieshoudianluzhijiandejulibijiaoyuan
，dayudiancibobochang，fasheyujieshouzhijianxiangdangyuwuxiandiantianxian，dianciganraocongganraoyuanfasong，fushechudediancibozaikongqizhongchuanbo。

電機控製電路中的開關電源通常是電磁幹擾的主要來源。電路中的方波脈衝形成快速變化的大電流、電壓，具有很高的 ，。波bo形xing具ju有you很hen強qiang的de非fei線xian性xing，存cun在zai高gao次ci諧xie波bo。由you於yu存cun在zai這zhe麼me多duo的de頻pin率lv分fen量liang，通tong常chang都dou是shi噪zao聲sheng信xin號hao
，他ta們men比bi較jiao容rong易yi通tong過guo傳chuan導dao或huo者zhe無wu線xian電dian波bo輻fu射she幹gan擾rao到dao電dian機ji控kong製zhi電dian路lu的de其qi它ta電dian路lu
，使shi得de它ta們men產chan生sheng故gu障zhang。

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幹擾。

令ling人ren驚jing奇qi的de是shi，由you於yu現xian在zai的de功gong率lv晶jing體ti管guan通tong常chang具ju有you比bi應ying用yong需xu求qiu更geng高gao的de開kai關guan頻pin率lv，一yi些xie特te定ding電dian路lu部bu分fen可ke能neng不bu經jing意yi間jian將jiang噪zao聲sheng以yi及ji諧xie波bo分fen量liang進jin行xing放fang大da
，這zhe樣yang會hui使shi得de電dian磁ci幹gan擾rao問wen題ti複fu雜za化hua。這zhe些xie高gao頻pin幹gan擾rao信xin號hao有you可ke能neng達da到dao無wu線xian電dian波bo發fa射she的de頻pin段duan
，所suo以yi有you時shi也ye被bei稱cheng為wei射she頻pin幹gan擾rao（RFI）。

逆ni變bian以yi及ji驅qu動dong電dian路lu具ju有you產chan生sheng電dian磁ci幹gan擾rao的de能neng力li，電dian路lu設she計ji者zhe需xu特te別bie關guan注zhu功gong率lv晶jing體ti管guan器qi件jian的de打da開kai和he截jie止zhi特te性xing，盡jin可ke能neng降jiang低di這zhe些xie電dian路lu的de電dian磁ci幹gan擾rao信xin號hao的de產chan生sheng。如ru果guo使shi用yong分fen離li的deIGBT，或者MOSFET器件

，設計人員可以靈活使用門極串聯電阻來控製功率管的開關特性
，在功耗損失與電磁幹擾之間進行折中。

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幹擾之間進行了優化。

在電機控製電路設計中，還包括有控製以及傳感器功能
，他們通常容易受到電磁幹擾的影響

，可以通過旁路
、濾波以及緩衝等主要手段來避免他們失效。

一旦確認了電磁幹擾源以及有幹擾電路，那麼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後
，精力需要集中在電磁兼容性和控製的核心部位：也就是PCB布(bu)線(xian)。這(zhe)個(ge)階(jie)段(duan)可(ke)以(yi)考(kao)慮(lv)通(tong)過(guo)分(fen)割(ge)策(ce)略(lve)
，考(kao)慮(lv)不(bu)同(tong)三(san)維(wei)結(jie)構(gou)的(de)器(qi)件(jian)布(bu)局(ju)和(he)布(bu)線(xian)如(ru)何(he)影(ying)響(xiang)最(zui)終(zhong)產(chan)品(pin)的(de)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)性(xing)能(neng)。很(hen)多(duo)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)性(xing)問(wen)題(ti)的(de)麻(ma)煩(fan)通(tong)常(chang)都(dou)是(shi)在(zai)電(dian)路(lu)分(fen)割(ge)和(he)布(bu)線(xian)過(guo)程(cheng)中(zhong)被(bei)發(fa)現(xian)和(he)解(jie)決(jue)的(de)。

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幹擾源的電路和器件
；* 確定電路中容易對電磁幹擾敏感的電路和器件；* 確定出在幹擾源與接收幹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

對於電磁幹擾影響重要的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： 確定控製、功率和地線信號的種類
，這由所需要的電機控製功能來決定
；

  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麵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
，他們往往對於安放位置有要求，需要進行特殊處理。

  6. 屏蔽： 對於電磁幹擾的其它方法最終無法滿足你的電磁兼容性要求和限製，考慮如何對PCB增加屏蔽罩。

1.3 電路分割

經過周密規劃之後，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的問題之後的結果，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zai每mei一yi個ge電dian路lu功gong能neng模mo塊kuai中zhong，電dian磁ci幹gan擾rao源yuan可ke以yi通tong過guo原yuan理li圖tu來lai找zhao到dao。由you於yu底di線xian布bu局ju對dui於yu滿man足zu電dian磁ci幹gan擾rao兼jian容rong性xing非fei常chang重zhong要yao，所suo以yi不bu同tong模mo塊kuai通tong過guo底di線xian清qing晰xi的de分fen割ge開kai來lai。當dang然ran這zhe僅jin僅jin是shi模mo塊kuai和he地di線xian布bu局ju的de理li想xiang模mo型xing
，在zai設she計ji的de時shi候hou需xu要yao盡jin可ke能neng多duo的de靠kao近jin這zhe樣yang的de布bu局ju。

到dao此ci為wei止zhi，我wo們men采cai用yong了le從cong上shang到dao下xia設she計ji策ce略lve來lai滿man足zu電dian磁ci兼jian容rong性xing要yao求qiu
，這zhe樣yang做zuo的de好hao處chu是shi可ke以yi確que定ding影ying響xiang全quan局ju的de電dian磁ci幹gan擾rao源yuan，采cai用yong電dian路lu分fen割ge策ce略lve從cong而er為wei減jian少shao電dian磁ci幹gan擾rao布bu局ju奠dian定ding良liang好hao的de基ji礎chu。

1.4 布線與電磁幹擾：PCB選擇和布線規範

xiamian，womenkaishitaolunzixiaershangdefangfalaidadaodiancijianrongxingyaoqiu，qizhongbaokuoyouzhinengbuxian，diancifasheyuandebujuyijitamenxianghuzhijiandelianjieheyingxiang。

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幹擾問題。

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

FR4通常用於低頻電路設計中

，由於采用了環氧樹脂作為絕緣層，所以它的介電常數達到了4 。

PCBjibendehouduyehenzhongyao
，yinweitajuedinglebutongpushecengzhijiandeouhechengdu。daoxiandekuanduyudianlubandehoududebizhijuedingleliangcengdaoxianzhijiandeouhechengdu
，zheyeduikongzhidianciganraoshifenzhongyao。

PCB的de可ke用yong布bu線xian的de層ceng數shu是shi影ying響xiang特te定ding設she計ji中zhong的de電dian磁ci兼jian容rong特te性xing的de重zhong要yao因yin素su。之zhi所suo以yi重zhong要yao
，是shi因yin為wei它ta限xian製zhi了le底di線xian鋪pu設she的de方fang式shi，也ye確que定ding了le總zong的de電dian磁ci幹gan擾rao行xing為wei。通tong過guo鋪pu設she地di層ceng，使shi得de器qi件jian接jie地di比bi較jiao容rong易yi，通tong過guo地di線xian屏ping蔽bi作zuo用yong是shi控kong製zhi電dian磁ci幹gan擾rao的de關guan鍵jian。

下圖中顯示了單麵板的結構，所有的電源線、控製線以及地線都需要在PCB單麵來完成。這使得布線和控製電磁兼容性問題變得複雜起來。在同一層電路之間可能會產生相互的幹擾。器件接地也變得不容易。

采用單麵PCBshi，dianlubandesizhouxuyaojinkenengyongyupushedixian，duiyudianluzhongmeiyouyinxiandebufen，yexuyaoputongbinglianjiedaodixian。duiyumeiyoulianjiedaodixiandeputongxuyaoquchu。caiyongdanmianbanzaishejikekaodediancijianrongxingshiqueshaolinghuodeshouduan。

圖1.4.2 單麵板中的鋪銅

采cai用yong雙shuang麵mian板ban來lai設she計ji電dian路lu時shi，則ze可ke以yi將jiang其qi中zhong一yi麵mian單dan獨du用yong於yu地di線xian，降jiang低di布bu線xian的de複fu雜za度du。相xiang對dui於yu單dan麵mian板ban來lai說shuo費fei用yong也ye僅jin僅jin高gao一yi點dian。但dan在zai電dian源yuan和he控kong製zhi模mo塊kuai之zhi間jian的de幹gan擾rao還hai是shi存cun在zai，因yin此ci將jiang電dian路lu中zhong的de電dian磁ci幹gan擾rao源yuan與yu其qi他ta電dian路lu分fen開kai比bi較jiao關guan鍵jian。

圖1.4.3 雙麵板結構

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。也能夠在電路板雙麵放置元器件。

zaixiamianliangzhongsicengbanbujuzhong，zuobianfangfajiangdianyuancengshezhizaidianlubanneibu，sanreshouxian，yehuiduidibuxinhaocengchanshengyingxiang。weiyushangxialiangcengdexinhaoxianduiyuwaibudianciganraoyuanyehuimingan。

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

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幹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麵積進行權衡：

●    單麵板中由於沒有專用底層，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，對於提高電磁幹擾的能力也非常大。

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 改進後的電路布局

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 改進後的地線環路

（3）電路連接

圖1.4.12 地線集結方式

圖1.4.13 對於三相電源係統的布局

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 改進後的PCB

1.6.2 案例2

圖1.6.3 案例2 ：PCB

圖1.6.4 案例2：改進後電路

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 ※

本文給出了對於電機控製功率電路在PCB布bu線xian方fang麵mian需xu要yao考kao慮lv的de因yin素su，特te別bie是shi針zhen對dui於yu如ru何he提ti高gao電dian路lu的de電dian磁ci兼jian容rong性xing，本ben文wen給gei出chu了le從cong電dian路lu板ban的de選xuan擇ze
，地di線xian鋪pu設she等deng方fang麵mian的de考kao慮lv。最zui後hou通tong過guo實shi際ji案an例li展zhan示shi這zhe些xie方fang法fa的de應ying用yong。

參考資料

[1]全國大學生智能車競賽中: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107256496

[2]腳氣引起的牙周炎: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/104135554?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522164076607716780274168006%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fblog.%2522%257D&request_id=164076607716780274168006&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~blog~first_rank_ecpm_v1~rank_v31_ecpm-10-104135554.nonecase&utm_term=%E9%9D%99%E7%94%B5%E5%B9%B2%E6%89%B0&spm=1018.2226.3001.4450

[3]電機控製應用中的電磁兼容性設計與測試標準: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/122198428

[4]EMC design guides for motor control applications: https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/f7/f4/51/8d/a1/c5/47/8e/DM00182773.pdf/files/DM00182773.pdf/jcr:content/translations/en.DM00182773.pdf

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