如何針對性地避免PCB電磁問題

????随着時代的發[Fa]展，科技的(De)進步，電路闆設計和元器件封裝不斷縮小，OEM也要求更高速系統，電磁兼(Jian)容性（EMC）及電磁幹擾（EMI）成為 PCB 布局和設計工程(Cheng)師工作上常遇到的難題。為避(Bi)免在PCB設計(Ji)過程中出現電磁幹[Gan]擾問題，業内人士給出如下七個針對性建議。

????一直以來，電磁(Ci)兼容性（EMC）及關聯(Lian)的電[Dian]磁幹擾（EMI）都需要系統設計(Ji)工程師格外(Wai)的認真，因為電磁能來自多(Duo)個源(Yuan)頭，它們混合在(Zai)一起，因此必須[Xu]特别小心，确保[Bao]不同[Tong]的電路、走線、過孔[Kong]和PCB材料[Liao]協同(Tong)工作時，各種信号兼[Jian]容且不會相互幹擾。另外，EMI是由EMC或不[Bu]想要的電磁能産生的一種破壞性影響。在這[Zhe]種電磁環境(Jing)下，PCB設計人員(Yuan)必須(Xu)确保減少電磁[Ci]能的産生，使幹擾(Rao)大幅降(Jiang)低。

以(Yi)下是避免在PCB設[She]計中出現[Xian]電磁[Ci]問題的(De)7個技巧[Qiao]：

???? 技巧1 ：降低EMI的一個重要途徑是設計PCB接地層(Ceng)。第一步(Bu)是使(Shi)PCB電路闆總面積内的接地(Di)面積盡可能[Neng]大，這樣可以(Yi)減少發射、串擾和噪聲。将(Jiang)每個元器件(Jian)連接到接地點或接地層時必須特别小心，如果不這樣做，就不能充分利用可靠的接地(Di)層的中和[He]效(Xiao)果。一個特别[Bie]複雜的PCB設計有幾個穩定(Ding)的電壓。理想[Xiang]情況下，每個參考電壓都有自己[Ji]對應(Ying)的接地層。但是，如果[Guo]接地層太多會增加PCB的制[Zhi]造成本，使價格過高。折衷的辦法是(Shi)在(Zai)三到五個不同的(De)位置分别使(Shi)用接[Jie]地層，每一個接地(Di)層可包含多個接地部分。這樣不僅[Jin]控制了電(Dian)路闆的(De)制造成本，同(Tong)時也降低了[Le]EMI和EMC。如果想使EMC達到至小，低阻[Zu]抗接地系統十分[Fen]重(Zhong)要。在多層PCB中，較好有一個可靠的接地層(Ceng)，而不是一個銅平衡塊（copper thieving）或散亂(Luan)的接地層，因為(Wei)它具(Ju)有低阻抗，可提供電流通[Tong]路，是(Shi)比較好[Hao]的反向信号(Hao)源。

圖1：為解(Jie)決多層PCB中的[De]EMC問題，建議添(Tian)加有一個可(Ke)靠的接地層，而(Er)不是銅平[Ping]衡塊（copper thieving）或散亂的接地層。

????信[Xin]号[Hao]返回地面(Mian)的時長也非常重要。信号往返于信号源(Yuan)的時間必[Bi]須相當，否則會産生類似天線的現象，使輻射(She)的能量成為EMI的[De]一部分。 同樣，向[Xiang]/從信号源傳輸(Shu)電流(Liu)的走(Zou)線應[Ying]盡可能[Neng]短，如果源路徑和返回(Hui)路徑的長度不相等，則會(Hui)産(Chan)生接地反彈[Dan]，這也會[Hui]産生EMI。

圖2：如果信号進出信[Xin]号[Hao]源的時間不同步，則會産生類[Lei]似天線的現象，從(Cong)而輻射能量[Liang]，引起EMI。

技巧2 ：由(You)于EMI不同(Tong)，一個[Ge]很好的EMC設計規[Gui]則是将模拟電路和數(Shu)字電路分開[Kai]。模拟電路的安[An]培數較高或者(Zhe)說電流[Liu]較大，應[Ying]遠離高速走線或開[Kai]關信号。如(Ru)果可能的(De)話(Hua)，應使用接地信号(Hao)保護它們。在多(Duo)層PCB上(Shang)，模拟走線的布線應在一個接地層上，而開關走線(Xian)或高[Gao]速走線應在(Zai)另[Ling]一個接地層。因此，不同特性的[De]信号就分開了。有時可以用一個低通[Tong]濾波器來消除與周圍走線耦合的(De)高[Gao]頻噪[Zao]聲。濾波器(Qi)可以有效(Xiao)降低噪聲，返回穩定的電[Dian]流。将模拟(Ni)信号和數字信[Xin]号的接地(Di)層分開很重要。由于(Yu)模拟電(Dian)路和數[Shu]字電路有各自[Zi]獨特的特性，将(Jiang)它們[Men]分開至關重要。數字(Zi)信号(Hao)應該有數字接地，模拟信号[Hao]應該終止于于模[Mo]拟接地。在數字(Zi)電[Dian]路設計中，有經驗的[De]PCB布[Bu]局和設計(Ji)工程師會(Hui)特别注意高速[Su]信号和時鐘[Zhong]。在[Zai]高速情況下，信[Xin]号和時[Shi]鐘應盡(Jin)可能(Neng)短并鄰近接地[Di]層，因為如[Ru]前所述，接地層可使串擾、噪聲[Sheng]和輻射保持[Chi]在可控(Kong)制的範圍[Wei]。數字信号也應[Ying]遠(Yuan)離電源平(Ping)面。如果距離很近，就會産(Chan)生噪聲或感應，從而削弱信号。

技巧3 ：走(Zou)線對确保電流的正常流動特别重要(Yao)。如果電流來自振蕩器或其它[Ta]類似設備，那麼讓電[Dian]流與接地層[Ceng]分開[Kai]，或者不讓電流(Liu)與另一條走線并行，尤其重要。 兩個并行的高速信号會(Hui)産生(Sheng)EMC和EMI，特别是串擾。必須縮短電阻路徑，返回電流路徑也盡可[Ke]能短(Duan)。返回路(Lu)徑走線的長度應與(Yu)發送走(Zou)線的長度相同。對于EMI，一[Yi]條叫做“侵犯[Fan]走線”，另一條則是[Shi]“受害走(Zou)線”。電感和電容耦合會(Hui)因為電磁場的(De)存在而影響[Xiang]“受害”走線，從(Cong)而在“受害走線”上産(Chan)生正向和反向(Xiang)電流。這樣的話[Hua]，在信号的發送長度[Du]和接收長[Zhang]度幾乎相等的[De]穩定環境[Jing]中就會(Hui)産生紋(Wen)波。在一個平衡良好[Hao]、走線穩定的環境中，感應電流應相[Xiang]互抵消，從而消除串擾。但是，我們身處不[Bu]完美的世界，這樣的事[Shi]不(Bu)會發[Fa]生。因此，我們的[De]目(Mu)标是必須将所有走線的串(Chuan)擾保持在小量水平。如果使并行走[Zou]線之間[Jian]的寬度為走線寬[Kuan]度的兩倍，則串擾的影響可有效降低。例如，如果走線(Xian)寬度為5密耳，則兩條并[Bing]行走線之間的[De]距離應為[Wei]10密耳或更[Geng]大。随着新材料(Liao)和新[Xin]的元器件[Jian]不斷出現(Xian)，PCB設計人員還必[Bi]須繼續應對電磁兼容性和幹擾問題。

技巧4： 去[Qu]耦電容可減少串擾(Rao)的不良影響，它們應位于[Yu]設備的[De]電源引腳和接地引腳之[Zhi]間，這樣可以[Yi]确保交流阻抗較低，減少[Shao]噪聲和串擾。為了在寬頻率範圍内實(Shi)現低阻(Zu)抗，應使用多個去耦(Ou)電容。放置去耦電容的[De]一個重要原[Yuan]則是，電容值(Zhi)比較小的zhaung電[Dian]容器要盡可能靠近(Jin)設備，以減(Jian)少對走線産生電感影響。這一(Yi)特定的電容器(Qi)盡可能靠近設備的電源[Yuan]引腳或電源走線，并[Bing]将電容器的焊盤直接連[Lian]到過[Guo]孔或接地層[Ceng]。如果走線較長，請(Qing)使用多個過孔，使接(Jie)地阻抗降[Jiang]低。

技巧5 ：為降低(Di)EMI，應避免走線、過孔及其它(Ta)元器件形成90°角，因為直角會産(Chan)生輻(Fu)射。在該角處電容會增加，特性阻抗[Kang]也會發生變化，導(Dao)緻(Zhi)反射，繼而引起[Qi]EMI。 要避(Bi)免90°角，走線應[Ying]至少以兩個45°角布線到拐角處。

技巧6 ：在大多數PCB布局中，都必須使用過(Guo)孔在不同(Tong)層之間提(Ti)供(Gong)導(Dao)電連接。PCB布局工程師需特别小心，因為過孔會産生電感和電[Dian]容。在某些情況下，它們還會産生反[Fan]射，因為在走線中制[Zhi]作過孔時，特性阻抗(Kang)會發生變化[Hua]。同樣要記住[Zhu]的是，過孔會增加走線長(Zhang)度，需要進[Jin]行匹配。如[Ru]果是(Shi)差分(Fen)走線，應[Ying]盡(Jin)可能避免(Mian)過孔(Kong)。如果不能避免，則[Ze]應在兩條走線中都使用過[Guo]孔，以補償信号和返回路徑中的延遲。

技巧7： 承載數字電路和模拟電流的電(Dian)纜會産生寄生電容和電(Dian)感，引起很多(Duo)EMC相關問[Wen]題。如(Ru)果使(Shi)用雙絞[Jiao]線電纜，則[Ze]會[Hui]保持較低的耦合水平，消除産生的磁(Ci)場。對于高頻信号，必須[Xu]使用屏蔽電纜，其正[Zheng]面和背面均接地，消[Xiao]除EMI幹擾。物理(Li)屏蔽是[Shi]用金(Jin)屬封裝包住整個或部分(Fen)系統，防止EMI進入(Ru)PCB電路。這種屏蔽(Bi)就像是封閉的接地(Di)導電容器，可減小天線環[Huan]路尺寸并吸收EMI。

作者：EDA365電子[Zi]論壇

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