EMI/EMC設(shè)計講座（七）印刷電路板的EMI噪訊對策技巧

隨著電子組件功能提升，各種電子產(chǎn)品不斷朝向高速化方向發(fā)展，然而高性能化、多功能化、可攜帶化的結(jié)果，各式各樣的EMC(Electro Magnetic Compatibility)問題，卻成為設(shè)計者揮之不去的夢魘。

目前EMI(Electro Magnetic Interference)噪訊對策，大多仰賴設(shè)計者長年累積的經(jīng)驗，或是利用仿真分析軟件針對框體結(jié)構(gòu)、電子組件，配合國內(nèi)外要求條件與規(guī)范進(jìn)行分析，換句話說電子產(chǎn)品到了最后評鑒測試階段，才發(fā)現(xiàn)、對策EMI問題，事后反復(fù)的檢討、再試作與對策組件的追加，經(jīng)常變成設(shè)計開發(fā)時程漫無節(jié)制延長，測試費(fèi)用膨脹的主要原因。

EMI主要發(fā)生源之一亦即印刷電路板(Printed Circuit Board，以下簡稱為PCB)的設(shè)計，自古以來一直受到設(shè)計者高度重視，尤其是PCB Layout階段，若能夠?qū)MI問題列入考慮，通常都可以有效事先抑制噪訊的發(fā)生，有鑒于此本文要探討如何在PCB的Layout階段，充分應(yīng)用改善技巧抑制EMI噪訊的強(qiáng)度。

測試條件

如圖1所示測試場地為室內(nèi)3m半電波暗室，預(yù)定測試頻率范圍為30MHz~1000MHz的電界強(qiáng)度，依此讀取峰值點(Peak Point)當(dāng)作測試數(shù)據(jù)(圖2)。

圖3是被測基板A的外觀，該基板為影像處理系統(tǒng)用電路主機(jī)板，動作頻率為27MHz與54MHz，電路基板內(nèi)建CPU、Sub CPU、FRASH，以及SDRAM×5、影像數(shù)據(jù)/數(shù)字轉(zhuǎn)換處理單元、影像輸出入單元，此外被測基板符合「VCCI規(guī)范等級B」的要求，測試上使用相同的電源基板(Board)與變壓器(Adapter)。

　
首先針對被測基板A進(jìn)行下列電路設(shè)計變更作業(yè):

‧CPU的頻率線(Clock Line)追加設(shè)置EMI噪訊對策用濾波器(Filter)，與頻率產(chǎn)生器(Clock Generator)( 圖4)。

‧影像輸出入單元追加設(shè)置Common mode Choke Coil(DLWxxx系列)(圖5)

‧各IC電源輸入線的Bypass Condenser與電源之間，追加設(shè)置Ferrite Beads(圖6)。

‧追加設(shè)置Bypass Condenser，使各IC的所有電源腳架，全部從基板電源層(Plane)通過Bypass Condenser提供電源(圖7)。

各種EMI噪訊對策

a.EMI噪訊對策用電容

接著進(jìn)行EMI測試獲得圖8的測試結(jié)果，根據(jù)測試結(jié)果再進(jìn)行噪訊抑制設(shè)計作業(yè)，在此同時將設(shè)計變更的被測基板A的設(shè)計數(shù)據(jù)讀入EMI噪訊抑制支持工具，并針對支持工具指出的主要部位，例如頻率線、Bus導(dǎo)線Via周圍，分散設(shè)置EMI噪訊對策用電容(圖9)，主要原因是信號導(dǎo)線的return路徑如果太長或是非連續(xù)狀態(tài)時，EMI噪訊有增大之虞，為了縮短Return路徑，因此設(shè)置連接電源與接地的電容。

圖10～圖13是改變上述電容容量時的EMI噪訊測試結(jié)果，根據(jù)測試結(jié)果顯示，依照圖14的頻率范圍設(shè)置的大容量EMI噪訊對策用電容DuF，可以抑制低頻噪訊Level。雖然設(shè)置電容增加PCB的容量負(fù)載，不過為了要抑制噪訊，設(shè)置在各部位的電容頻率特性，卻可以發(fā)揮預(yù)期的EMI噪訊抑制效果。

實際應(yīng)用時只要在頻率導(dǎo)線、Bus導(dǎo)線等高頻導(dǎo)線 圖案(Pattern)附近、形成CPU、Return路徑的內(nèi)層面(Plane)的分?jǐn)喔浇?、形成噪訊出入口的基板?cè)面附近分散設(shè)置EMI噪訊對策用電容，就可以消除該部位周邊的噪訊。

對各式各樣基板外形、組件封裝、導(dǎo)線的PCB而言，只要以一定間隔設(shè)置EMI噪訊對策用電容，同樣可以獲得分散性的噪訊抑制效果。
　
b.改變基板的層結(jié)構(gòu)

接著針對被測基板A進(jìn)行層結(jié)構(gòu)改善，制作圖15所示6層Built up被測基板B，它是利用「Pad on Via」與「雷射Via」加工技術(shù)，將上述被測基板A的外層信號線導(dǎo)線變成內(nèi)層，使Return電流可能流入接地Plane，外層當(dāng)作接地Plane包覆所有信號層。

改變被測基板結(jié)構(gòu)主要理由是一般4層基板的Return路徑，通常都設(shè)有可以通行電源Plane或是最短距離接地，因此在貫穿部位經(jīng)常造成Return路徑迂回問題，如果信號導(dǎo)線包覆接地Plan e，如此一來大部份的Return路徑會流入接地 Plane，進(jìn)而解決Return路徑迂回的困擾，被測基板B就是根據(jù)上述構(gòu)想制成 ，因此Return路徑在PCB整體減少30%，同時縮減信號圖案與Return路徑構(gòu)成的電流Loop距離，進(jìn)而達(dá)成EMI噪訊抑制的目的。圖16是被測基板B的各層結(jié)構(gòu)圖。

　
圖16是被測基板B的EMI噪訊測試結(jié)果，根據(jù)測試結(jié)果顯示包含利用外層接地Plane的遮蔽(Field)結(jié)構(gòu)，與回避Return路徑迂回的設(shè)計確實具有抑制EMI噪訊的效果，不過實際上各式各樣的電路基板要作如此的層結(jié)構(gòu)變更，勢必面臨制作成本暴增的困擾，尤其是所有信號導(dǎo)線都將Return路徑列入設(shè)計考慮的話，幾乎無法作業(yè)，因此Layout階段盡量避免高頻信號導(dǎo)線透過Via作布線，同時必需在該信號導(dǎo)線鄰近的層設(shè)置接地Plane，藉此防止Return路徑迂回或是分?jǐn)?，接地Plane之間以復(fù)數(shù)Via連接，Return路徑利用復(fù)數(shù)Via作理想性的歸返。

　
c.設(shè)置多點Grand接地

Return電流流動時PCB內(nèi)的接地Plane會產(chǎn)生電位差，該電位差往往是EMI噪訊的發(fā)生原因之一，而且可能會通過PCB形成所謂的二次噪訊，因此將接地Plane與金屬板作多點連接(圖18、圖19)，使PCB的側(cè)面與中心位置得電位差均勻化，同時降低接地Plane本身的阻抗(Impedance)并抑制電壓下降。

圖20是多點接地后的EMI測試結(jié)果，由圖可知低頻領(lǐng)域EMI噪訊強(qiáng)度略為上升，不過200MHz以上時EMI噪訊受到抑制，這意味著多點接地的有效性獲得證實。

d.鋪設(shè)Shield

圖21是在基板側(cè)面鋪設(shè)Shield的實際外觀，具體方法是在基板側(cè)面粘貼導(dǎo)電膠帶，試圖藉此抑制基板內(nèi)層信號線、Via與電源Plane的噪訊，接著再與外層接地Plane連接，測試基板側(cè)面的EMI噪訊遮蔽效果，圖22是基板側(cè)面鋪設(shè)Shield的EMI測試結(jié)果，根據(jù)測試結(jié)果顯示200MHz以下時EMI噪訊強(qiáng)度有下降趨勢，甚至符合規(guī)范的Level，證實基板側(cè)面鋪設(shè)Shield確實可以抑制EMI噪訊。

實際制作PCB時在基板側(cè)面鋪設(shè)Shield，同樣會面臨成本上升的質(zhì)疑，類似圖23在基板側(cè)面附近設(shè)置接地Plane與連續(xù)性貫穿Via的新結(jié)構(gòu)，除了可是解決成本問題之外，還可以有效抑制基板側(cè)面的EMI噪訊強(qiáng)度；圖24是結(jié)合以上各種EMI噪訊對策的PCB測試結(jié)果。

結(jié)語

綜合以上介紹的EMI噪訊對策，分別如下所示:

‧設(shè)置EMI噪訊對策用電容

‧回避Return路徑迂回的基板層結(jié)構(gòu)設(shè)計

‧設(shè)置多點Grand接地

‧基板側(cè)面包覆Shield

實際上PCB得EMI噪訊對策會隨著組件封裝、導(dǎo)線、基板外形、層結(jié)構(gòu)，與筐體限制出現(xiàn)極大差異，因此本文主要是探討如何在PCB Layout階段，充分應(yīng)用EMI噪訊對策手法，根據(jù)一連串的對策中找出最符合制作成本，同時又可以滿足規(guī)范要求的方法。