PCB设计中如何避免出现电磁问题

在PCB设计中，电磁兼容性(EMC)及关联的电磁干扰(EMI)历来是让工程师们头疼的两大问题，特别是在当今电路板设计和元器件封装不断缩小、OEM要求更高速系统的情况下。本文给大家分享如何在PCB设计中避免出现电磁问题。

01、串扰和走线是重点

走线对确保电流的正常流动特别重要。如果电流来自振荡器或其它类似设备，那么让电流与接地层分开，或者不让电流与另一条走线并行，尤其重要。两个并行的高速信号会产生EMC和EMI，特别是串扰。必须使电阻路径最短，返回电流路径也尽可能短。返回路径走线的长度应与发送走线的长度相同。

对于EMI，一条叫做“侵犯走线”，另一条则是“受害走线”。电感和电容耦合会因为电磁场的存在而影响“受害”走线，从而在“受害走线”上产生正向和反向电流。这样的话，在信号的发送长度和接收长度几乎相等的稳定环境中就会产生纹波。

在一个平衡良好、走线稳定的环境中，感应电流应相互抵消，从而消除串扰。但是，我们身处不完美的世界，这样的事不会发生。因此，我们的目标是必须将所有走线的串扰保持在最小水平。如果使并行走线之间的宽度为走线宽度的两倍，则串扰的影响可降至最低。例如，如果走线宽度为5密耳，则两条并行走线之间的最小距离应为10密耳或更大。

随着新材料和新的元器件不断出现，PCB设计人员还必须继续应对电磁兼容性和干扰问题。

02、去耦电容

去耦电容可减少串扰的不良影响，它们应位于设备的电源引脚和接地引脚之间，这样可以确保交流阻抗较低，减少噪声和串扰。为了在宽频率范围内实现低阻抗，应使用多个去耦电容。

放置去耦电容的一个重要原则是，电容值最小的电容器要尽可能靠近设备，以减少对走线产生电感影响。这一特定的电容器尽可能靠近设备的电源引脚或电源走线，并将电容器的焊盘直接连到过孔或接地层。如果走线较长，请使用多个过孔，使接地阻抗最小。

03、将PCB接地

降低EMI的一个重要途径是设计PCB接地层。第一步是使PCB电路板总面积内的接地面积尽可能大，这样可以减少发射、串扰和噪声。将每个元器件连接到接地点或接地层时必须特别小心，如果不这样做，就不能充分利用可靠的接地层的中和效果。

一个特别复杂的PCB设计有几个稳定的电压。理想情况下，每个参考电压都有自己对应的接地层。但是，如果接地层太多会增加PCB的制造成本，使价格过高。折衷的办法是在三到五个不同的位置分别使用接地层，每一个接地层可包含多个接地部分。这样不仅控制了电路板的制造成本，同时也降低了EMI和EMC。

如果想使EMC最小，低阻抗接地系统十分重要。在多层PCB中，最好有一个可靠的接地层，而不是一个铜平衡块(copper thieving)或散乱的接地层，因为它具有低阻抗，可提供电流通路，是最佳的反向信号源。

信号返回地面的时长也非常重要。信号往返于信号源的时间必须相当，否则会产生类似天线的现象，使辐射的能量成为EMI的一部分。同样，向/从信号源传输电流的走线应尽可能短，如果源路径和返回路径的长度不相等，则会产生接地反弹，这也会产生EMI。

04、避免90°角

为降低EMI，应避免走线、过孔及其它元器件形成90°角，因为直角会产生辐射。在该角处电容会增加，特性阻抗也会发生变化，导致反射，继而引起EMI。要避免90°角，走线应至少以两个45°角布线到拐角处。

05、使用过孔需谨慎

在几乎所有PCB布局中，都必须使用过孔在不同层之间提供导电连接。PCB布局工程师需特别小心，因为过孔会产生电感和电容。在某些情况下，它们还会产生反射，因为在走线中制作过孔时，特性阻抗会发生变化。

同样要记住的是，过孔会增加走线长度，需要进行匹配。如果是差分走线，应尽可能避免过孔。如果不能避免，则应在两条走线中都使用过孔，以补偿信号和返回路径中的延迟。

06、电缆和物理屏蔽

承载数字电路和模拟电流的电缆会产生寄生电容和电感，引起很多EMC相关问题。如果使用双绞线电缆，则会保持较低的耦合水平，消除产生的磁场。对于高频信号，必须使用屏蔽电缆，其正面和背面均接地，消除EMI干扰。

物理屏蔽是用金属封装包住整个或部分系统，防止EMI进入PCB电路。这种屏蔽就像是封闭的接地导电容器，可减小天线环路尺寸并吸收EMI。

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审核编辑 黄昊宇