克服PCB電磁問題

電磁問題一直困擾著PCB設(shè)計(jì)人員。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師必須始終監(jiān)視電磁兼容性和干擾。不幸的是，即使很小的設(shè)計(jì)問題也可能導(dǎo)致電磁故障。隨著電路板設(shè)計(jì)的縮小以及客戶要求更高的速度，這些問題比以往任何時(shí)候都更加普遍。

起作用的兩個(gè)主要問題是電磁兼容性和電磁干擾。

電磁兼容性（EMC）涉及電磁能的產(chǎn)生，傳播和接收，通常是通過不良設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的。電磁干擾或EMI是指EMC產(chǎn)生的有害影響，以及來自環(huán)境的電磁干擾。太多的EMI可能會導(dǎo)致產(chǎn)品損壞或損壞。任何PCB設(shè)計(jì)人員都應(yīng)遵循EMC設(shè)計(jì)規(guī)則，以最大程度地減少EMI的影響。

幸運(yùn)的是，適當(dāng)?shù)?/span>EMC設(shè)計(jì)可以減少電路板的EMI。

為什么避免電磁干擾很重要

電磁干擾源無處不在，我們 可以通過幾種方式對它們進(jìn)行分類：

l資料來源： 人為產(chǎn)生的EMI來自電子電路。另一方面，自然產(chǎn)生的EMI可能是由諸如宇宙噪聲和閃電之類的環(huán)境因素引起的。

l持續(xù)時(shí)間： 持續(xù)干擾是一種EMI源，它發(fā)出恒定的信號，該信號通常以背景噪聲的形式出現(xiàn)。脈沖干擾是間歇性的，通常是由開關(guān)系統(tǒng)，雷電和其他非恒定源引起的。

l帶寬： 類似于無線電的窄帶信號可能會受到振蕩器和發(fā)射機(jī)的干擾，盡管這些源只會間歇性地影響頻譜的某些部分。寬帶干擾會影響電視等高數(shù)據(jù)信號，并且可能來自許多來源，包括弧焊機(jī)和太陽噪聲。

不論是人為制造的還是環(huán)境的，EMI都可能既昂貴又危險(xiǎn)。它可能會破壞通信通道和敏感設(shè)備。在無線設(shè)備使用率不斷上升的醫(yī)療領(lǐng)域，EMI是一個(gè)值得注意的問題。不幸的是， EMI會影響 呼吸機(jī)，ECG監(jiān)護(hù)儀，心臟監(jiān)護(hù)儀和除顫器等醫(yī)療設(shè)備的功能。在其他行業(yè)中，EMI可能會破壞傳感器和導(dǎo)航系統(tǒng)。在所有情況下，結(jié)果都是對設(shè)備的干擾，可能會對用戶的健康和安全負(fù)責(zé)。

但是，最常見的EMI來源-也是設(shè)計(jì)人員最有問題的來源-內(nèi)部。不良的PCB設(shè)計(jì)可能會導(dǎo)致不兼容的信號在板上相互干擾。這種干擾最終可能導(dǎo)致電路板發(fā)生故障。設(shè)計(jì)人員必須確保將干擾保持在最低水平，釋放的任何信號都應(yīng)兼容，以免造成干擾。

預(yù)防和解決電磁問題的EMC設(shè)計(jì)原則

電路板設(shè)計(jì)者必須遵循電磁兼容性設(shè)計(jì)原則，以將EMI降至最低。EMC問題的基本原因相當(dāng)普遍，并且大多數(shù)與設(shè)計(jì)缺陷有關(guān)，這些設(shè)計(jì)缺陷會導(dǎo)致走線，電路，過孔，PCB線圈和其他元件之間的干擾。

這些基本的設(shè)計(jì)原則可以幫助防止和修復(fù)印刷電路板設(shè)計(jì)中的電磁問題。

1.接地層

設(shè)計(jì)PCB的接地層是最重要的一步，對于降低EMI至關(guān)重要。接地層是抵抗EMI的第一道防線，因?yàn)樗须娐范夹枰拥夭拍苷９ぷ?。降?/span>EMI的接地設(shè)計(jì)的一些常見最佳做法包括：

l最大化接地面積： 在PCB內(nèi)盡可能增加接地面積。信號可以在更大的范圍內(nèi)更容易地分散，從而減少發(fā)射，串?dāng)_和噪聲。如果接地層太小，則可以添加另一層并創(chuàng)建多層PCB。該設(shè)計(jì)解決方案提供了更多處理高速跟蹤的選項(xiàng)。

l使用實(shí)心平面： 尤其是在多層PCB中，實(shí)心接地平面是理想的選擇。銅剝皮和散亂的接地層通常會導(dǎo)致更高的阻抗水平。另一方面，堅(jiān)固的接地層提供了較低的高度。

l連接每個(gè)組件： 將每個(gè)零件連接到接地平面或點(diǎn)。接地層充當(dāng)電路板設(shè)計(jì)的中和劑，而浮動組件并未充分利用它。

l小心分開的平面： 高度復(fù)雜的PCB設(shè)計(jì)通常包括許多穩(wěn)壓電壓，每個(gè)電壓都有自己的接地層。然而，太多的接地平面增加了制造成本。通常通過使用分割平面來避免此問題，分割平面在單層上創(chuàng)建多個(gè)接地部分。但是，設(shè)計(jì)人員應(yīng)始終謹(jǐn)慎使用分割平面。確保有充分的理由使用分離平面；如果使用分離平面，請確保僅將其連接在單個(gè)點(diǎn)上。分體接地PCB中的多個(gè)接地連接會產(chǎn)生環(huán)路，從而導(dǎo)致天線輻射EMI。

l連接旁路或去耦電容器： 如果設(shè)計(jì)中包括旁路或去耦電容器，則將其連接至接地層。此行為通過減小環(huán)路尺寸來幫助減小返回電流。

l最小化信號長度： 走線的長度非常重要，因?yàn)樾盘柾涤谠此ㄙM(fèi)的時(shí)間必須兼容。否則會輻射EMI。保持跡線的長度應(yīng)盡可能短，并且長度應(yīng)相等。

2.走線布局

跡線對于電路板設(shè)計(jì)尤為重要。正確使用走線可確保正確傳播電流。但是，如果未按照頂級EMC設(shè)計(jì)規(guī)則排列走線，則會出現(xiàn)許多問題。

跡線實(shí)質(zhì)上是在電路處于活動狀態(tài)時(shí)包含流動電子的導(dǎo)電路徑。因此，這些走線與創(chuàng)建輻射天線是一個(gè)錯(cuò)誤。簡單的彎曲或交叉會導(dǎo)致PCB電磁干擾。

PCB設(shè)計(jì)中走線布局的一些最佳規(guī)則包括：

l避免直角： 過孔，走線和其他零件的角度應(yīng)避免為45度至90度。 電容隨著走線達(dá)到 45度以上的角度而增加。結(jié)果，特性阻抗改變，導(dǎo)致反射。這種反射會導(dǎo)致EMI。您可以通過舍入需要轉(zhuǎn)彎的跡線或?qū)⑺鼈兝@過兩個(gè)或多個(gè)45度或更小的角度來避免此問題。

l將信號分開： 將高速走線與低速信號分開，將模擬信號與數(shù)字信號分開。緊密接近會導(dǎo)致干擾。

l縮短返回路徑： 使返回電流路徑盡可能短，并沿電阻最小的路徑布線。返回路徑的長度應(yīng)與傳輸軌跡的長度相同或更短。

l間距： 兩個(gè)并行運(yùn)行的高速信號會通過串?dāng)_產(chǎn)生EMI，其中一條跡線是“攻擊者”，另一條跡線是“受害者”。攻擊者通過電感和電容耦合影響受害者跡線，在受害者跡線中產(chǎn)生正向和反向電流。您可以通過在跡線之間保持最小間距來最大程度地減少串?dāng)_。通常，將跡線分隔為跡線寬度的兩倍。例如，如果走線的寬度為千分之五千英寸，則在兩條平行走線之間的最小距離至少為千分之千英寸。

l仔細(xì)使用過孔：過 孔在PCB設(shè)計(jì)中是必需的，因?yàn)檫^孔可讓您在布線時(shí)利用電路板上的多層。但是，設(shè)計(jì)人員在使用它們時(shí)必須小心。通孔會在混合中添加自己的電感和電容效應(yīng)，可能會由于特性阻抗的變化而導(dǎo)致反射。通孔還會增加走線長度，需要匹配。如有可能，避免使用過孔作為差分走線。但是，如果不可能，請?jiān)趦蓷l走線中都使用它們以補(bǔ)償延遲。

3.組件安排

電子元件是電子電路的基礎(chǔ)。但是，如果安排不當(dāng)，可能會導(dǎo)致幾個(gè)EMI問題。在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，請注意每片的EMI影響。PCB設(shè)計(jì)中組件布局的一些最佳做法包括：

l將模擬和數(shù)字部分分開： 與走線一樣，始終將模擬和數(shù)字電路和組件分開?？拷胖媚M電路和數(shù)字電路會導(dǎo)致串?dāng)_，其中包括其他問題。為避免這種情況，請使用屏蔽層，多層結(jié)構(gòu)和分開的接地層，以使模擬信號和數(shù)字信號盡可能彼此遠(yuǎn)離。通常，最好將模擬和數(shù)字信號完全放在單獨(dú)的地面上。

l模擬和高速部件分開： 模擬電路承載大電流，這可能會導(dǎo)致高速走線和開關(guān)信號出現(xiàn)問題。使它們彼此遠(yuǎn)離，并用接地信號保護(hù)模擬電路。在多層PCB上，對模擬走線進(jìn)行布線，以使模擬電路與開關(guān)或高速信號之間存在接地層。

l小心高速組件：組件 越快越小，可能產(chǎn)生的EMI越大。您可以通過屏蔽和濾波來抵抗這種自然的EMI，盡管在電路板設(shè)計(jì)中將這些組件與其他組件分開也是一個(gè)好主意。采取的另一措施是使高速信號和時(shí)鐘盡可能短，并與接地層相鄰。這些措施有助于將串?dāng)_，噪聲和輻射水平控制在可接受的水平范圍內(nèi)。

4. EMI屏蔽

無論您遵循什么設(shè)計(jì)規(guī)則，某些組件都會產(chǎn)生EMI，尤其是小型高速零件。幸運(yùn)的是，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(xiàng)包括：

l組件和電路板的屏蔽： 物理屏蔽是封裝了整個(gè)或部分電路板的金屬封裝。他們的目標(biāo)是防止EMI進(jìn)入電路板電路，盡管具體方法根據(jù)EMI的來源而有所不同。對于來自系統(tǒng)內(nèi)部的EMI，可以使用組件屏蔽罩來封裝產(chǎn)生EMI的特定組件，從而將其接地，從而減小天線環(huán)路的尺寸并吸收EMI。其他屏蔽可能會包裹整個(gè)電路板，以防止外部源產(chǎn)生EMI。例如，法拉第籠（Faraday Cage）是一種厚實(shí)的防護(hù)罩，旨在阻擋RF波。這些設(shè)備通常由金屬或?qū)щ娕菽瞥伞?/span>

l低通濾波： 有時(shí)，PCB可以包括低通濾波器以消除組件的高頻噪聲。這些濾波器抑制了來自這些部分的噪聲，從而使電流在返回路徑上繼續(xù)流動而不受干擾。

l電纜屏蔽： 承載模擬和數(shù)字電流的電纜會產(chǎn)生最大的EMI問題。它們通過產(chǎn)生寄生電容和電感來產(chǎn)生這些問題，這是高頻信號的一個(gè)特殊問題。幸運(yùn)的是，屏蔽這些電纜并將其前后分別接地有助于消除EMI干擾。