PCB的設(shè)計(jì)在產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)方面是非常重要的。對(duì)于PCB設(shè)計(jì)在EMI方面的問題考慮：設(shè)計(jì)工程師通常都非常注意PCB上信號(hào)走線的布線，但經(jīng)常卻沒有考慮他們的返回路徑。理解和解決EMI問題的關(guān)鍵是理解電流的流動(dòng)。電流以環(huán)路的形式流動(dòng)，因此，許多數(shù)字電路設(shè)計(jì)工程師容易忘了這個(gè)重要的事實(shí)。因?yàn)?，大多?shù)原理圖的檢查表明，一半的原理圖都忘了地或信號(hào)和電源的返回系統(tǒng)。因此就容易忽略了所有的電源和信號(hào)的返回路徑，這些信號(hào)的布線都是電路板布線人員一時(shí)的疏忽才會(huì)導(dǎo)致的顯著EMI問題。

通過理解返回電流是如何返回其電源及如何確保返回路徑為低阻抗，就可以很好地解決產(chǎn)品中的EMI問題。

首先，考慮高頻電流是怎樣流動(dòng)的。在低頻時(shí)，返回電流通常沿著電阻最小的路徑流動(dòng)。在高頻時(shí)，返回電流通常沿著阻抗最小的路徑流動(dòng)。如下圖所示。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：在較高頻率時(shí)，當(dāng)信號(hào)或電源導(dǎo)線或PCB走線及與之相關(guān)的返回路徑－另外一條導(dǎo)線或返回平面的物理尺寸最小時(shí)，其路徑的自感最小。由于這種現(xiàn)象，產(chǎn)生的結(jié)果是信號(hào)或電源導(dǎo)線中的電流和返回電流通常會(huì)使流出電流和輸入電流之間的物理空間最小。如果迫使返回路徑形成了較大的環(huán)路面積，這種環(huán)路的作用類似于天線，將會(huì)產(chǎn)生輻射發(fā)射。

不同頻率信號(hào)的返回電流路徑示意圖

當(dāng)頻率大于1MHz時(shí)，返回電流通常在信號(hào)PCB走線下方或者上方的信號(hào)返回平面上直接流動(dòng)。這取決于信號(hào)PCB電路板的層結(jié)構(gòu)。如果迫使返回路徑距信號(hào)走線的下面有較長(zhǎng)的路徑，那么環(huán)路的物理尺寸將變得非常大，通常會(huì)產(chǎn)生環(huán)天線的輻射發(fā)射，同時(shí)也將產(chǎn)生共模電壓源。這些電壓源會(huì)在PCB的周圍且通常沿著I／O電纜或電源電纜產(chǎn)生共模電流，這些電纜就會(huì)像單極子天線或偶極子天線一樣產(chǎn)生輻射發(fā)射。

在實(shí)際的應(yīng)用中，常常會(huì)發(fā)現(xiàn)電子工程師為其產(chǎn)品設(shè)計(jì)的PCB信號(hào)和電源返回平面上存在被疏忽的間隙和分割。這樣就會(huì)帶來更大的返回電流路徑，如下圖所示。

電流被PCB強(qiáng)行改變路徑的示意圖

返回電流被強(qiáng)行改變路徑及所產(chǎn)生的環(huán)繞PCB的磁場(chǎng)。當(dāng)迫使返回電流遠(yuǎn)離阻抗最小的優(yōu)先路徑時(shí)，會(huì)形成環(huán)天線，如上圖所示。這就會(huì)在整個(gè)電路板附近產(chǎn)生磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)也能與其他PCB走線產(chǎn)生耦合，從而有效地形成小的電壓源，電壓源又在電路板附近產(chǎn)生共模電流。這些共模電流然后耦合給I／O電纜或電源電纜，他們會(huì)輻射基波信號(hào)的高頻諧波。

返回平面的互感產(chǎn)生小的電壓降ΔU＝L·（di／dt），這種電壓降會(huì)產(chǎn)生共模電流。信號(hào)電流環(huán)路和附近的另外一個(gè)電路環(huán)路之間的互感也將會(huì)產(chǎn)生電壓差，這種電壓差可在附近的電路中產(chǎn)生電流。

當(dāng)進(jìn)行PCB布線時(shí)，產(chǎn)生EMI的另外一個(gè)常見問題是改變參考平面層，沒有為返回電流的信號(hào)PCB走線規(guī)定閉合的物理路徑。比如，如果信號(hào)PCB走線在參考返回平面的頂部開始布線，穿過過孔，繼續(xù)參考到這個(gè)相同的返回平面，這是沒有問題的是可以接受的，如下圖所示。

數(shù)字信號(hào)參考相同的參考面返回電流

如果出現(xiàn)這樣的情況，一條PCB走線從PCB板子上的一層（參考到信號(hào)返回平面）開始，穿過過孔后到達(dá)另外一層（其使用不同的參考面）如下圖所示。如果這兩個(gè)參考平面（即信號(hào)返回的路徑）的電位相同，且兩層通過過孔多次連接在一起，那么規(guī)定的返回路徑將具有小的環(huán)路面積。這是我們希望的設(shè)計(jì)。

信號(hào)穿過兩層地線層及處理方法

信號(hào)在兩層之間換層的處理方法示意圖

在如上面的圖示中，過孔的作用當(dāng)數(shù)字信號(hào)參考到兩個(gè)不同的平面時(shí)，在信號(hào)PCB走線的穿過點(diǎn)，如果兩個(gè)平面的電位相同，則兩個(gè)層之間應(yīng)使用一個(gè)或多個(gè)過孔。如果兩個(gè)平面的電位不同，那么應(yīng)盡可能使用兩個(gè)或多個(gè)縫合電容在信號(hào)的穿過點(diǎn)將這兩個(gè)平面相連接，優(yōu)先采用對(duì)稱的方式。

然而，如果兩個(gè)參考平面具有不同的電位；比如信號(hào)返回平面和電源平面，那么返回路徑可能會(huì)規(guī)劃設(shè)計(jì)的不好，從而形成了具有較大環(huán)路面積的繞行走線，這將會(huì)發(fā)生常常說到的走線跨分割或裂縫的問題。

為了更好地規(guī)劃信號(hào)電流的返回路徑，在信號(hào)PCB走線設(shè)計(jì)之初穿過第二個(gè)參考平面的地方需要放置附加的過孔。

如果電路足夠復(fù)雜以至于可能有太多的參考平面變化，這時(shí)就可能需要采用更多層板的設(shè)計(jì)，以增加附加的信號(hào)或電源返回層。

注意：為了實(shí)現(xiàn)最佳的高頻噪聲抑制，電源返回“三明治”式的層間距要?。ǔＵJ(rèn)為3～4mil是比較理想的。

通常情況下，電源和電源返回平面之間3～4mil的間距能夠提供好的高頻旁路。因此，去耦電容要均勻地放置在基板面的周圍。然而，如果使用更傳統(tǒng)的10mil間距，那么去耦電容必須從物理上盡可能近地放置在每一個(gè)IC的VCC管腳。

另外一種常見錯(cuò)誤是布線時(shí)把數(shù)字或大功率的模擬信號(hào)PCB走線穿過電路中敏感的模擬電路部分。在布線時(shí)數(shù)字PCB走線穿過無噪聲的模擬返回平面，數(shù)字開關(guān)噪聲通常會(huì)干擾低電平的模擬信號(hào)。

注意：當(dāng)改變參考平面兩次，這就會(huì)迫使返回電流遠(yuǎn)離阻抗最小的路徑，這是產(chǎn)生共模電流的最常見的原因。

同時(shí)，下面的5個(gè)方面在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意：

一．接地和搭接

在EMI的故障整改領(lǐng)域中，接地實(shí)際上是指產(chǎn)品內(nèi)電路或組件的返回路徑的分析與設(shè)計(jì)。在實(shí)際工作中，接地經(jīng)常指的是信號(hào)或電源的返回路徑，而不是地或地平面。

為了防止誤解，尤其對(duì)于EMI分析，接地也指用于把產(chǎn)品與大地相連接的安全導(dǎo)線接地。搭接：指的是兩塊導(dǎo)電材料通常為金屬片或電纜的屏蔽層之間低阻抗的連接，多次搭接或連接的點(diǎn)之間應(yīng)具有較低的直流阻抗。比如小于10mΩ，盡管許多標(biāo)準(zhǔn)要求小于2．5mΩ或更小。好的搭接可為電流的流動(dòng)包括高頻電流確保實(shí)體的路徑。

關(guān)鍵的問題點(diǎn)是電流必須能夠無阻擋地流回噪聲源端或能量源頭。在實(shí)際的應(yīng)用中并不存在這種具有魔法的孔或地上的某點(diǎn)，即噪聲電流大量流入或消失在這些地方。因此在進(jìn)行EMI問題的分析時(shí)，用信號(hào)或電源返回路徑或參考的接地更能準(zhǔn)確地表達(dá)正確的EMI設(shè)計(jì)概念。

二．產(chǎn)品殼體上的間隙

產(chǎn)品金屬殼體上的間隙，當(dāng)長(zhǎng)度大于大約1／10波長(zhǎng)－該波長(zhǎng)為產(chǎn)品產(chǎn)生的許多諧波頻率中的任何一個(gè)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)時(shí)，其開始作為有效的輻射天線。由于天線既能接收又能發(fā)射，因此這些間隙也能使外部的射頻或脈沖能量能進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部，從而引起電路的擾亂及內(nèi)部信號(hào)的誤動(dòng)作。此外，任何組件，如LCD，也必須在多點(diǎn)進(jìn)行搭接，如下圖所示。

LCD組件的搭接到屏蔽殼體對(duì)于減小發(fā)射很重要

注意：當(dāng)評(píng)估屏蔽殼體搭接的完整性時(shí)，金屬粘性銅帶或鋁箔都是比較好的故障診斷分析工具。在使用時(shí)一定要確定這些粘性的銅帶確實(shí)具有連續(xù)導(dǎo)電性。

三．連接線電纜的搭接

任何I／O或電源連接器的導(dǎo)電外殼都應(yīng)與產(chǎn)品的屏蔽殼體進(jìn)行很好的搭接，這也是非常重要的。由于完整的圓形比如3600搭接有助于阻止電纜的輻射，因此只有采用這種搭接是最佳的。如下圖所示。

連接線電纜搭接及屏蔽與電磁兼容的關(guān)系

四．屏蔽

金屬屏蔽體可作為高頻場(chǎng)的屏障。大多數(shù)產(chǎn)品都有完全包圍電路的金屬殼體或金屬鍍層的塑料殼體。基于這個(gè)原因，確保產(chǎn)品殼體的所有部分很好地搭接在一起則是非常重要的。當(dāng)需要將連接線電纜穿過產(chǎn)品殼體時(shí)就需要一定的技巧。除非電纜連接器搭接到殼體，否則共模噪聲電流將會(huì)沿著連接線電纜導(dǎo)線或電纜屏蔽層的外層泄漏。這里的重點(diǎn)是搭接。這必須是非常低阻抗＝10mΩ或更小的連接。理想情況下應(yīng)與產(chǎn)品殼體進(jìn)行3600搭接，如上圖所示。也就是連接器的所有面都應(yīng)與產(chǎn)品殼體進(jìn)行搭接。這意味著涂層比如油漆、鍍層等都將會(huì)阻礙好的搭接。因此，低阻抗的3600搭接將會(huì)達(dá)到最佳的效果。

五．濾波

在設(shè)計(jì)得很好的產(chǎn)品中通常都會(huì)使用濾波器。設(shè)計(jì)他們的目的是阻止高頻電流－其會(huì)產(chǎn)生輻射發(fā)射電流的流動(dòng)或阻止脈沖能量比如ESD、電源線瞬態(tài)，或射頻電流進(jìn)入電路。殼體設(shè)計(jì)為非屏蔽的產(chǎn)品必須依靠濾波和好的PCB設(shè)計(jì)、以符合EMI要求。比如，通常使用下面的方法：

（1）開關(guān)電源的輸入和輸出都需要進(jìn)行濾波以平滑直流輸出以及阻止開關(guān)噪聲電流通過電源的輸入導(dǎo)線進(jìn)行發(fā)射。

（2）微控制器集成電路IC的復(fù)位引腳通常安裝RC濾波器。

（3）I／O數(shù)據(jù)線和電源線使用RC濾波器或共模扼流圈。

（4）I／O電纜上所夾的鐵氧體可作為高頻扼流圈。

注意：濾波器的作用是建立高阻抗以阻止連接線電纜上流動(dòng)的射頻電流或者為電流返回到本地能量源提供低阻抗的路徑。通常如果能實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目的則是最佳的。其濾波的設(shè)計(jì)的詳細(xì)信息參考《物聯(lián)產(chǎn)品電磁兼容分析與設(shè)計(jì)》。