讓PCB的EMC效果最優(yōu)的方法

EMC的基本概念

首先，我們需要理解EMC涉及兩個(gè)主要方面：一是抗干擾能力，即設(shè)備能夠在電磁干擾環(huán)境下正常工作;二是干擾控制，即設(shè)備在正常工作時(shí)不對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生不可接受的干擾。在高功率PCB設(shè)計(jì)中，這兩個(gè)方面尤為重要，因?yàn)楦吖β孰娐吠菀桩a(chǎn)生和受到電磁干擾。

高功率PCB的EMC問(wèn)題

在高功率PCB中，電流強(qiáng)度大，因此在電路板上形成的電磁場(chǎng)也強(qiáng)。這會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)問(wèn)題：一是輻射干擾，即電路板向外發(fā)射的電磁波可能干擾其他電子設(shè)備;二是導(dǎo)入干擾，即外部電磁波可能影響電路板上的信號(hào)。

PCB 的 EMC 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是盡可能減小回流面積，讓回流路徑按照我們?cè)O(shè)計(jì)的方向流動(dòng)。而層的設(shè)計(jì)是 PCB 的基礎(chǔ)，如何做好 PCB 層設(shè)計(jì)才能讓PCB 的 EMC 效果最優(yōu)呢?

一、PCB層的設(shè)計(jì)思路： PCB疊層EMC規(guī)劃與設(shè)計(jì)思路的核心就是合理規(guī)劃信號(hào)回流路徑，盡可能減小信號(hào)從單板鏡像層的回流面積，使得磁通對(duì)消或最小化。

1. 單板鏡像層 鏡像層是PCB內(nèi)部臨近信號(hào)層的一層完整的敷銅平面層(電源層、接地層)，主要有以下作用：

降低回流噪聲：鏡像層可以為信號(hào)層回流提供低阻抗路徑，尤其在電源分布系統(tǒng)中有大電流流動(dòng)時(shí)，鏡像層的作用更加明顯。

降低EMI：鏡像層的存在減少了信號(hào)和回流形成的閉合環(huán)的面積，降低了EMI;

降低串?dāng)_：有助于控制高速數(shù)字電路中信號(hào)走線之間的串?dāng)_問(wèn)題，改變信號(hào)線距鏡像層的高度，就可以控制信號(hào)線間串?dāng)_，高度越小，串?dāng)_越小;

阻抗控制：防止信號(hào)反射。

2. 鏡像層的選擇

電源、地平面都能用作參考平面，且對(duì)內(nèi)部走線有一定的屏蔽作用;

相對(duì)而言，電源平面具有較高的特性阻抗，與參考電平存在較大的電勢(shì)差，同時(shí)電源平面上的高頻干擾相對(duì)比較大;

從屏蔽的角度，地平面一般均作了接地的處理，并作為基準(zhǔn)電平參考點(diǎn)，其屏蔽效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于電源平面;

選擇參考平面時(shí)，應(yīng)優(yōu)選地平面，次選電源平面。

二、磁通對(duì)消原理： 根據(jù)麥克斯韋方程，分立的帶電體或電流，它們之間的一切電的及磁的作用都是通過(guò)它們之間的中間區(qū)域傳遞的，不論中間區(qū)域是真空還是實(shí)體物質(zhì)。在PCB中磁通總是在傳輸線中傳播的，如果射頻回流路徑平行靠近其相應(yīng)的信號(hào)路徑，則回流路徑上的磁通與信號(hào)路徑上的磁通是方向相反的，這時(shí)它們相互疊加，則得到了通量對(duì)消的效果。

三、磁通對(duì)消 磁通對(duì)消的本質(zhì)就是信號(hào)回流路徑的控制

四、右手定則

如何用右手定則來(lái)解釋信號(hào)層與地層相鄰時(shí)磁通對(duì)消效果，解釋如下： 當(dāng)導(dǎo)線上有電流流過(guò)時(shí)，導(dǎo)線周圍便會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的方向以右手定則來(lái)確定。 當(dāng)有兩條彼此靠近且平行的導(dǎo)線，如下圖所示，其中一個(gè)導(dǎo)體的電流向外流出，另一個(gè)導(dǎo)體的電流向內(nèi)流入，如果流過(guò)這兩根導(dǎo)線的電流分別是信號(hào)電流和它的回流電流，那么這兩個(gè)電流是大小相等方向相反的，所以它們的磁場(chǎng)也是大小相等，而方向是相反的，因此能相互抵消。

在PCB(Printed Circuit Board，印刷電路板)設(shè)計(jì)中，通過(guò)適當(dāng)?shù)膶盈B布局可以改善電磁兼容性(EMC)效果。層疊布局可以有助于減少電磁輻射、干擾和信號(hào)耦合，從而提高電子設(shè)備的性能和可靠性。以下是一些在PCB設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)更好EMC效果的方法：

分離不同信號(hào)層： 將不同信號(hào)類型分配到不同的層上，如將模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)分離，以減少信號(hào)之間的干擾。這有助于防止高速數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路的影響。

參考平面和地平面： 在每一層上都添加參考平面(如地平面)，以提供信號(hào)回流路徑，減少回流電流的路徑長(zhǎng)度。這有助于減少輻射和信號(hào)環(huán)路。

分層供電： 在不同的層上布局電源和地線，以避免信號(hào)線和電源線之間的互相干擾。這有助于提高電源線的純凈性。

差分信號(hào)層： 對(duì)于差分信號(hào)(如高速串行通信)布線，將正負(fù)差分信號(hào)線放在相鄰的層上，以減少差分信號(hào)之間的干擾。

EMC屏蔽層： 在PCB層疊中添加專門的EMC層，用于屏蔽敏感電路或減少外部干擾。這可以幫助隔離噪聲和提高抗干擾能力。

平面分割： 如果需要，可以將地平面分割成不同的區(qū)域，以隔離敏感電路和高速信號(hào)。這有助于控制信號(hào)的傳播和噪聲的影響。

規(guī)避高速線： 在PCB布線中，盡量規(guī)避高速信號(hào)線與其他線路的交叉，以減少信號(hào)耦合。

良好的連接，盡量小的回路： 確保地線和電源線的連接短而穩(wěn)定，以減少電流環(huán)路和地回流路徑。

五、布局方面

①. 合理分區(qū)是關(guān)鍵。將模擬電路、數(shù)字電路和電源電路劃分開，這樣可以減少不同類型信號(hào)間的相互干擾。例如，對(duì)于一個(gè)同時(shí)包含微控制器(數(shù)字部分)和傳感器接口(模擬部分)的電路板，應(yīng)使它們保持一定距離。

②. 按照信號(hào)流向布局。確保信號(hào)從輸入到輸出的路徑流暢，減少信號(hào)環(huán)路面積。比如高速信號(hào)線路應(yīng)盡量短且直，避免出現(xiàn)迂回的線路，因?yàn)檩^大的信號(hào)環(huán)路會(huì)產(chǎn)生更多的電磁輻射。

六、布線方面

①. 對(duì)于高速信號(hào)線和時(shí)鐘線，要進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ洌詼p少反射。同時(shí)采用差分信號(hào)線傳輸高速信號(hào)，這樣可以有效抵抗外界的電磁干擾，如USB、HDMI等高速接口的布線就常用差分對(duì)。

②. 增加布線間距。信號(hào)線之間保持足夠的距離可以減少串?dāng)_，尤其是不同電壓等級(jí)或者不同信號(hào)類型的線路之間。

七、接地方面

①. 采用單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地相結(jié)合的方式。對(duì)于低頻電路，單點(diǎn)接地可以避免形成地環(huán)路;對(duì)于高頻電路，多點(diǎn)接地有助于減小接地阻抗。

②. 合理設(shè)置接地平面。完整的接地平面能夠?yàn)樾盘?hào)提供回流路徑，同時(shí)起到屏蔽作用，吸收和反射電磁干擾。

八、電源方面

①. 在電源入口處添加濾波電容，濾除電源線上的高頻噪聲。這些電容可以包括不同容值的電容并聯(lián)，例如一個(gè)大電容(如10μF)和一個(gè)小電容(如0.1μF)并聯(lián)，分別對(duì)低頻和高頻噪聲進(jìn)行濾波。