簡 介： 本文給出了對於電機控制功率電路在PCB佈線方面需要考慮的因素，特別是針對於如何提高電路的電磁相容性，本文給出了從電路板的選擇，地線鋪設等方面的考慮。最後透過實際案例展示這些方法的應用。
00 前 言
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。然後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 靜電放電對於電磁檢測電路輸出訊號的干擾
在
電機控制應用中的電磁相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，關於電機控制電路中的EMC防範標準和測試方法。由於篇幅將該文件的後半部分，也就是具體PCB佈線考慮細節內容省略了。下面將該文件的後半部分摘錄。
01 PCB設計與佈線
為了使得電機控制電路滿足電磁相容性（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佈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。
下圖顯示了高度整合電機控制設計電路的一般電路結構。這裡，可以看到它包含有各種功能模組。需要考慮其中哪些功能可能產生電磁輻射，或者對於電磁干擾敏感，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，傳送器，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頻噪聲。
儘管所有的電子線路都可能會接收電磁干擾訊號，但最敏感電路訊號包括：復位、中斷、故障檢測、保護以及控制訊號線。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、電纜或者路徑連線；
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
：當干擾源與接收電路之間的距離比較遠，大於電磁波波長，發射與接收之間相當於無線電天線，電磁干擾從干擾源傳送，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。電路中的方波脈衝形成快速變化的大電流、電壓，具有很高的
，
。波形具有很強的非線性，存在高次諧波。由於存在這麼多的頻率分量，通常都是噪聲訊號，他們比較容易透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，由於現在的功率電晶體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複雜化。這些高頻干擾訊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電晶體器件的開啟和截止特性，儘可能降低這些電路的電磁干擾訊號的產生。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（智慧功率模組），內部整合有驅動電路，其中的引數已經在功耗損失與電磁干擾之間進行了最佳化。
在電機控制電路設計中，還包括有控制以及感測器功能，他們通常容易受到電磁干擾的影響，可以透過旁路、濾波以及緩衝等主要手段來避免他們失效。
一旦確認了電磁干擾源以及有干擾電路，那麼在電路效能以及費用約束條件下對電路拓撲結構進行最佳化。
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相容性和控制的核心部位：也就是PCB佈線。這個階段可以考慮透過
分割策略
，考慮不同三維結構的器件佈局和佈線如何影響最終產品的電磁干擾效能。很多電磁相容性問題的麻煩通常都是在電路分割和佈線過程中被發現和解決的。
解決電磁相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相容性標準；
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線和規劃。
1。2 電路分割策略
對於電磁干擾影響重要的PCB佈線結構和佈局關鍵因素包括：
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。
訊號：
確定控制、功率和地線訊號的種類，這由所需要的電機控制功能來決定；
4。
耦合路徑：
確定在功能模組之間的訊號交換最佳手段，對大型器件確定是採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，他們往往對於安放位置有要求，需要進行特殊處理。
6。
遮蔽：
對於電磁干擾的其它方法最終無法滿足你的電磁相容性要求和限制，考慮如何對PCB增加遮蔽罩。
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組；
不同模組如何佈局；
以及模組間如何透過底線進行分割；
▲ 圖1。3。1 電路分割一種方案
另外，為了高效進行PCB規劃和佈線，採用圖形工具來進行。
在每一個電路功能模組中，電磁干擾源可以透過原理圖來找到。由於底線佈局對於滿足電磁干擾相容性非常重要，所以不同模組透過底線清晰的分割開來。當然這僅僅是模組和地線佈局的理想模型，在設計的時候需要儘可能多的靠近這樣的佈局。
到此為止，我們採用了
從上到下
設計策略來滿足電磁相容性要求，這樣做的好處是可以確定影響全域性的電磁干擾源，採用電路分割策略從而為減少電磁干擾佈局奠定良好的基礎。
1。4 佈線與電磁干擾：PCB選擇和佈線規範
下面，我們開始討論
自下而上
的方法來達到電磁相容性要求，其中包括有智慧佈線，電磁發射元的佈局以及他們相互之間的連線和影響。
1。4。1 PCB
既然電路最終透過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，也會成為電磁干擾訊號的發射源，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，由於採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的可用佈線的層數是影響特定設計中的電磁相容特性的重要因素。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。透過鋪設地層，使得器件接地比較容易，透過地線遮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。這使得佈線和控制電磁相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干擾。器件接地也變得不容易。
採用單面PCB時，電路板的四周需要儘可能用於鋪設地線，對於電路中沒有引線的部分，也需要鋪銅並連線到地線。對於沒有連線到地線的鋪銅需要去除。採用單面板在設計可靠的電磁相容性時缺少靈活的手段。
▲ 圖1。4。2 單面板中的鋪銅
採用雙面板來設計電路時，則可以將其中一面單獨用於地線，降低佈線的複雜度。相對於單面板來說費用也僅僅高一點。但在電源和控制模組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遮蔽效果。也能夠在電路板雙面放置元器件。
在下面兩種四層板佈局中，左邊方法將電源層設定在電路板內部，散熱受限，也會對底部訊號層產生影響。位於上下兩層的訊號線對於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 兩種四層板佈局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中的對所有訊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。
接下來需要儘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：
單面板中由於沒有專用底層，所以地線結構考慮困難；
兩層板可以設定一層作為獨立的地線層，電源線和訊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，對於提高電磁干擾的能力也非常大。
▲ 圖1。4。6 多層電路板PCB佈局（1）降低地線阻抗
▲ 圖1。4。7 降低地線環路長度
▲ 圖1。4。8 改進後的電路佈局
▲ 圖1。4。9 推薦的電路佈局（2）地線結構
▲ 圖1。4。10 透過過孔接地的方式
▲ 圖1。4。11 改進後的地線環路（3）電路連線
▲ 圖1。4。12 地線集結方式
▲ 圖1。4。13 對於三相電源系統的佈局1。5 PCB佈線技巧
▲ 圖1。5。1 鋪銅電路需要連線地線
▲ 圖1。5。2 電源線和地線佈局
▲ 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PCB1。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：PCB1。6。4 案例4
▲ 圖1。6。6 案例4：PCB1。6。5 案例5
▲ 圖1。6。7 案例5：PCB1。6。6 案例6
▲ 圖1。6。8 案例6：PCB
※ 佈線總結 ※
本文給出了對於電機控制功率電路在PCB佈線方面需要考慮的因素，特別是針對於如何提高電路的電磁相容性，本文給出了從電路板的選擇，地線鋪設等方面的考慮。最後透過實際案例展示這些方法的應用。
