一、什么是 PCB 設計中的 EMC電磁兼容 和 EMI 電磁干擾？

1、EMC 電磁兼容

EMC 是電磁兼容的簡稱。PCB 中的 EMC 是電路板在其電磁環境中工作而不會對周圍的其他設備產生難以忍受的電磁干擾的能力。

一般來說，實現符合 EMC 的設計，工程師必要要考慮三個基本方面：

• 產生不需要的電磁輻射及其傳播

• 設計或組件各自易受電磁干擾的脆弱性

• PCB 設計不應對其自身造成無法容忍的電磁干擾

簡單的說，EMC 就是電子系統在共同的電磁環境下運行的能力，首先不受其他系統的影響，其次，不受其他系統的干擾，最后，不受自身的干擾。

2、EMI 電磁干擾

EMI 是電磁干擾的簡稱。

EMI 指電磁波從其他設備或自然來源對一個設備的負面影響或破壞。EMI 也稱為電磁噪聲。每個工程師都應該遵循 EMC 配置標準，以將 EMI 總量及其影響降至最（）低。

在印刷電路板上，有各種潛在的干擾源，可能會導致以下類別的各種潛在影響：

• 傳導發射（信號和電源完整性）

• 輻射發射

• 抗輻射和傳導發射

• 靜電放電

二、 避免 PCB 設計中出現 EMC 和 EMI 的 9 個技巧

1、地平面

因為所有電路都需要接地，所以接地層是預防 EMI 的第一防線。有以下措施可以減少 EMI：

• 增加接地區域

在 PCB 內部盡可能多地增加接地區域，可以通過接地的區域有效地分散、減少流出和串擾。如果接地層太少，完（）全可以添加一層。

• 接地層

特別是在多層 PCB 中，接地層是非常重要的，較高的阻抗水平通常是由偷銅和散列接地層引起的。

• 每個組件都應該連接到地平面

每個組件都應該連接到接地平面或者接地點。

• 去耦電容

如果設計包含去耦電容，則需要連接到接地層，可以通過減小環的幅度來減小返回電流。

• 接地層直接放置在帶有信號跡線的平面下方

這個平面可以屏蔽 EMI，提供電感和低電阻公共接地。對于某些區域，可能需要隔離接地，以使接地電流無法流過該部分。

• 數字地和模擬地要分開

如果電路板上既有模擬電路又有線性電路，則應相互隔離。低頻電路應該更多地依賴單點并聯接地。當實際走線過程中出現問題時，可以先進行部分串聯接地，再進行并聯接地。高頻電路往往依賴于多點串聯接地，接地線應短而粗。網格狀銅箔應大量應用在高頻元件周圍。

• 地線盡可能粗

接地線應盡可能粗，以便通過大于 PCB 允許電流兩倍的電流，以增加抗噪性。如果采用灌銅做地線，應避免死銅。此外，功能相近的銅線應通過粗引線相互連接，以保證地線的質量，同時降低噪聲。

• 接地系統長度應保持在最短

接地系統長度應保持在最短，以防止電感成為問題。在低頻下，這種影響會變得非常顯著。粗線可以提供幫助，以及在 PCB 上使用帶有關鍵軌道的接地層。

• 地線形成閉環回路

對于僅包含數字電路的電路板，可以通過將接地電路設計成圓形回路來提高抗噪聲能力。

2、電源設計

不恰當的電源設計會導致產生較大的噪聲，最終降低產品的性能。導致電源不穩定的兩個主要因素：

1）在高速開關狀態下，瞬態交流電流過大

2）電流回路上存在電感

因此，PCB 設計中應充分考慮電源的完整性，還需要遵循以下規則：

• 電源去耦濾波設計

在 IC 芯片電源兩端橋接一個電容為 0.01μF 至 0.1μF 的去耦電容，可以顯著降低整個電路板的噪聲和浪涌電流。完成電流補償后，去耦電容越低越好。由于引線電感低，因此應最佳使用安裝電容。

對電源進行濾波最（）有效的方法是在交流電源線處布置濾波器。為防止引線相互耦合或產生環路，濾波器的輸入和輸出線應從電路板的兩側引出，引線應盡可能短。

• 電源保護設計

電源保護設計涵蓋過流保護、欠壓報警、軟啟動和過壓保護。通過熔斷器的應用，可以在 PCB 的功率部分實現過流保護。

為了防止熔斷器在熔化過程中影響其他模塊，輸入電壓也應設計為保持電容。

為防止過電壓意外損壞元器件，應通過放電管、壓敏電阻等保護裝置在配電線與地電位之間建立等電位，實現過電壓保護。

3、PCB 布局

• PCB 尺寸

必須考慮 PCB 尺寸。當涉及到超大尺寸的電路板時，隨著阻抗的增加、抗噪能力的降低和制造成本的上升，走線必須走很長一段路。

當電路板尺寸特別小時，會造成散熱問題，并且相鄰走線之間容易發生串擾。推薦的 PCB 尺寸為長寬比為 3:2 或 4:3 的矩形。此外，當板材尺寸超過200mm*150mm時，應考慮板材收回的機械強度。

• 避免直角

過孔、走線等部分避免 45° 到 90°，走線達到超過 45 °時，電容會增加。

結果，特性阻抗發生變化，導致反射，這種反射會導致 EMI。你可以通過修整需要轉角的走線或通過兩個或多個 45 度或更小的角度對它們進行布線來避免此問題。

• 保持信號分離

數字電路、模擬電路和噪聲源應獨立放置在板上，高頻電路應與低頻電路隔離。此外，應注意強弱信號的分量分布和信號傳輸方向問題。

• 盡可能增加走線寬度

更寬的走線尺寸可有效減少輻射發射。

• 使電流回路盡可能小

使返回電流路徑盡可能短，并沿著電阻最小的路徑布線。返回路徑的長度應與傳輸跡線的長度大致相同或更短。

• 謹慎使用過孔

過孔在 PCB 設計中是必要的，因為它們可以在布線時利用電路板中的多個層。但是，在使用它們時必須小心。

通孔將其自身的電感和電容效應添加到混合物中，由于特性阻抗的變化可能導致反射。過孔也會增加走線長度，這需要匹配。盡可能避免使用過孔作為差分走線。

4、元器件放置

• 分離模擬和數字組件

與走線一樣，始終將模擬和數字電路和組件分開。將模擬電路和數字電路放置得很近可能會導致串擾等問題。

為避免這種情況，請使用屏蔽、多層和單獨的接地，使模擬和數字信號盡可能遠離彼此，一般來說，最好將模擬信號和數字信號完（）全分開。

• 小心高速組件

越快越小，它可能產生的 EMI 量就越大。你可以通過屏蔽和過濾來對抗這種自然的 EMI。

1）可以在電路板設計中將高速組件與其他組件分開。

2）另一個要采取的措施是保持高速信號和時鐘盡可能短，并與接地層相鄰。這些措施有助于將串擾、噪音和輻射水平控制在可接受的水平范圍內。

• 組件根據相同的分類進行放置

兼容的組件應獨立放置，以確保組件在空間中不會相互干擾。

• 重量超過 15 克的組件在被支撐固定之前不應進行焊接

不應該組裝又大又重且產生大量熱量的組件，相反，應該組裝在成品盒子的底板上。此外，必須保證散熱，并且熱敏組件應遠離產生熱量的組件。

• 優先選用 IC 元件

與分立元件相比，IC元件具有封裝優良、焊點少、故障率低等優點，應優先選用。此外，應選擇信號斜率相對較慢的器件，以減少信號產生的高頻部分。表面貼裝器件的應用可以減少走線長度，降低阻抗并提高 EMC。

• 敏感元件放置

敏感信號元件應遠離電源和大功率設備，敏感信號線絕不允許穿過大功率設備。熱敏元件應放置在遠離熱器件的位置，而溫度敏感元件應放置在溫度最（）低的區域。

• 高電位差元件放置

高電位差元件之間的距離應加大，以免發生短路。另外，大功率元器件應盡量布置在測試時手摸不到的地方，并經過絕緣保護。

5、PCB 層數設計

• 適當的 PCB 層數

在層數方面，單層 PCB、雙層 PCB 和多層 PCB 。

單層 PCB 和雙層 PCB 適用于中低密度布線或低完整性電路。基于制造成本的考慮，大多數消費電子產品依賴于單層 PCB 或雙層 PCB 。然而，由于它們的結構缺陷，它們都會產生大量的EMI，并且它們對外部干擾也很敏感。

多層 PCB 往往更多地應用于高密度布線和高完整性芯片電路。因此，當信號頻率較高且電子元件分布密集時，應選擇至少 4 層的 PCB。在多層 PCB 設計中，電源層和地層應專門布置，信號線和地線之間的距離要減小。

結果，所有信號的環路面積都可以大大減小。從 EMC 的角度來看，多層 PCB 能夠有效降低輻射，提高抗干擾能力。

• 單層 PCB 設計

單層 PCB 通常工作在幾百 KHz 的低頻，因為許多高頻設計條件受到低頻限制，例如缺乏RF電路返回和完（）全閉合所需的控制條件，明顯的線路趨膚效應或不可避免的磁性和環形天線問題。

因此，單層 PCB 往往對射頻干擾（如靜電、快速脈沖、輻射或傳導射頻）敏感。在單層 PCB 設計中，沒有考慮信號完整性和端子匹配。首先是電源和地線設計，然后是應該放置在地線旁邊的高風險信號設計。越近越好。最后是其他線條的設計。

具體設計措施包括：

1）必須保證電源線和地線沿關鍵電路信號網絡中的電源箱接地點。

2）應根據子功能進行走線布線，并且必須嚴格考慮敏感組件和相應的 I/O 端子和連接器的設計要求。

3）關鍵信號網絡中的所有元件應相鄰放置。

4）當 PCB 需要多個接地點時，確保這些點相互連接，并包括連接方法設計。

5）對于其他線路布線，RF 返回路徑清晰通過。

• 雙層/多層 PCB 設計

1）關鍵電源層應與相應的接地層相鄰布置，并產生耦合電容。關鍵電源層與PCB去耦電容配合，有利于降低電源層的阻抗，獲得良好的濾波效果。

2）相鄰平面上的關鍵信號不允許穿過分裂區，以阻止信號環路擴大，以減少強輻射，降低干擾靈敏度。

3）時鐘信號、高頻信號和高速信號等關鍵信號需要相鄰的接地層。例如，與接地平面相鄰的信號平面可以被視為信號路由的最佳平面，從而可以縮小信號環路面積和屏蔽輻射。

4）電源平面應小于接地平面。

6、EMI 屏蔽

屏蔽和濾波可以將 EMI 的影響降至最（）低。一些屏蔽和過濾選項包括：

• 組件和電路板屏蔽

物理屏蔽是封裝整個或部分電路板的金屬封裝。目標是防止 EMI 進入電路板的電路，具體方法因 EMI 來源而異。

對于來自系統內部的 EMI，組件屏蔽可用于封裝產生 EMI 的特定組件，從而連接到地，減小天線環路尺寸并吸收 EMI。其他屏蔽可能會包裹整個電路板，以防止來自外部來源的 EMI。

例如，法拉第籠是一種厚厚的保護外殼，旨在阻擋射頻波。這些設備通常由金屬或導電泡沫制成。

• 低通濾波

有時，PCB 可以包括低通濾波器以消除組件中的高頻噪聲。這些濾波器抑制來自這些部分的噪聲，允許電流在返回路徑上繼續而不受干擾。

• 電纜屏蔽

傳輸模擬和數字電流的電纜會產生最多的 EMI 問題，屏蔽這些電纜并將它們前后接地有助于消除 EMI 干擾。

7、跟蹤路由

• 對輸出相同但方向相反的電流信號進行并聯布局，以消除磁干擾。

• 應最大限度地減少印刷引線的不連續性。例如，引線寬度不應突然變化，引線角超過 90°。

• EMI 大多由時鐘信號線產生，在走線過程中時鐘信號線應靠近接地回路。

• 由于時鐘引線、行驅動器或總線驅動器的信號線通常承載較大的瞬態電流，因此印刷引線應盡可能短。對于分立元件，印刷引線寬度可以達到大約 1.5mm。然而，對于 IC，印刷引線的寬度應在 0.2mm 至 1.0mm 之間。
  

• 避免在熱器件周圍或大電流流過的引線周圍使用大面積銅箔，否則產品長時間處于熱環境中可能會導致銅箔膨脹或掉落等問題。如果必須使用大面積的銅箔，最好利用柵格，這樣有利于消除銅箔與基板熱粘合產生的逸出氣體。

• 焊盤中心的過孔孔徑應適當大于元件引腳的孔徑。如果焊盤太大，往往會產生干焊。

8、路由設計

為了最大限度地減少輻射干擾，應選擇多層 PCB，內層定義為電源層和接地層，以降低電源電路阻抗，并在信號線產生均勻接地層的情況下阻止公共阻抗噪聲。它通過改善信號線和接地層之間的分布電容，在阻止輻射方面發揮著關鍵作用。

• 電源線、地線和電路板上的走線對高頻信號應保持低阻抗。當頻率保持如此高時，電源線、接地線和電路板走線都成為負責接收和發射干擾的小天線。為了克服這種干擾，與增加濾波電容相比，降低電源線、地線和電路板走線所具有的高頻阻抗更為重要。因此，電路板上的走線應短而粗且排列均勻。

• 電源線、地線和印刷走線應適當布置，使其短而直，以盡量減少信號線和返回線形成的環路面積。

• 時鐘發生器應盡可能靠近時鐘設備。

• 石英晶體振蕩器的外殼應接地。

• 時鐘域應由接地線環繞，時鐘線應盡可能短。

• 電路板應采用45°而不是90°的折線，以減少高頻信號的傳輸和耦合。

• 單層PCB和雙層PCB應采用單點接電源和單點接地。電源線和接地線都應盡可能粗。

• I/O 驅動電路應靠近電路板邊緣的連接器。

• 關鍵線要盡量粗，兩邊要加保護地，高速線路應短而直。

• 組件引腳應盡可能短，這尤其適用于去耦電容器，使用無引腳的安裝電容。

• 對于 A/D 元件，數字部分和模擬部分的地線不能交叉。

• 時鐘、總線和芯片選擇信號應遠離 I/O 線和連接器。

• 模擬電壓輸入線、參考電壓端應遠離數字電路信號線，尤其是時鐘。

• 當時鐘線與 I/O 線垂直時，干擾比與 I/O 線平行時更小。此外，時鐘組件引腳應遠離 I/O 電纜。

• 不應在石英晶體或對噪聲敏感的設備下進行跟蹤。

• 切勿在弱信號電路或低頻電路周圍產生電流回路。

• 任何信號都不應該產生循環。如果必須安排一個循環，它應該盡可能小。

9、去藕和接地

• 解耦設計

由電感和電容組成的低通濾波器能夠濾除高頻干擾信號。線路上的寄生電感會使供電速度變慢，從而使驅動器件的輸出電流下降。

去耦電容的適當放置和電感電容儲能功能的應用，使得在開關的瞬間為器件提供電流成為可能。在直流回路中，負載變化會引起電源噪聲。去耦電容配置可以阻止由于負載變化而產生的噪聲。

• 接地設計

對于電子設備，接地是控制干擾的關鍵方法。如果接地與屏蔽措施正確結合，大部分干擾問題都會得到解決。