一、什么是 PCB 設計中的 EMC電磁兼容 和 EMI 電磁干擾？

1、EMC 電磁兼容

EMC 是電磁兼容的簡稱。PCB 中的 EMC 是電路板在其電磁環境中工作而不會對周圍的其他設備產生難以忍受的電磁干擾的能力。

一般來說，實現符合 EMC 的設計，工程師必要要考慮三個基本方面：

• 產生不需要的電磁輻射及其傳播

• 設計或組件各自易受電磁干擾的脆弱性

• PCB 設計不應對其自身造成無法容忍的電磁干擾

簡單的說，EMC 就是電子系統在共同的電磁環境下運行的能力，首先不受其他系統的影響，其次，不受其他系統的干擾，*后，不受自身的干擾。

2、EMI 電磁干擾

EMI 是電磁干擾的簡稱。

EMI 指電磁波從其他設備或自然來源對一個設備的負面影響或破壞。EMI 也稱為電磁噪聲。每個工程師都應該遵循 EMC 配置標準，以將 EMI 總量及其影響降至*低。

在印刷電路板上，有各種潛在的干擾源，可能會導致以下類別的各種潛在影響：

• 傳導發射（信號和電源完整性）

• 輻射發射

• 抗輻射和傳導發射

• 靜電放電

二、 避免 PCB 設計中出現 EMC 和 EMI 的 9 個技巧

1、地平面

因為所有電路都需要接地，所以接地層是預防 EMI 的**防線。有以下措施可以減少 EMI：

• 增加接地區域

在 PCB 內部盡可能多地增加接地區域，可以通過接地的區域有效地分散、減少流出和串擾。如果接地層太少，完全可以添加一層。

• 接地層

特別是在多層 PCB 中，接地層是非常重要的，較高的阻抗水平通常是由偷銅和散列接地層引起的。

• 每個組件都應該連接到地平面

每個組件都應該連接到接地平面或者接地點。

• 去耦電容

如果設計包含去耦電容，則需要連接到接地層，可以通過減小環的幅度來減小返回電流。

• 接地層直接放置在帶有信號跡線的平面下方

這個平面可以屏蔽 EMI，提供電感和低電阻公共接地。對于某些區域，可能需要隔離接地，以使接地電流無法流過該部分。

• 數字地和模擬地要分開

如果電路板上既有模擬電路又有線性電路，則應相互隔離。低頻電路應該更多地依賴單點并聯接地。當實際走線過程中出現問題時，可以先進行部分串聯接地，再進行并聯接地。高頻電路往往依賴于多點串聯接地，接地線應短而粗。網格狀銅箔應大量應用在高頻元件周圍。

• 地線盡可能粗

接地線應盡可能粗，以便通過大于 PCB 允許電流兩倍的電流，以增加抗噪性。如果采用灌銅做地線，應避免死銅。此外，功能相近的銅線應通過粗引線相互連接，以保證地線的質量，同時降低噪聲。

• 接地系統長度應保持在*短

接地系統長度應保持在*短，以防止電感成為問題。在低頻下，這種影響會變得非常顯著。粗線可以提供幫助，以及在 PCB 上使用帶有關鍵軌道的接地層。

• 地線形成閉環回路

對于僅包含數字電路的電路板，可以通過將接地電路設計成圓形回路來提高抗噪聲能力。

2、電源設計

不恰當的電源設計會導致產生較大的噪聲，*終降低產品的性能。導致電源不穩定的兩個主要因素：

1）在高速開關狀態下，瞬態交流電流過大

2）電流回路上存在電感

因此，PCB 設計中應充分考慮電源的完整性，還需要遵循以下規則：

• 電源去耦濾波設計

在 IC 芯片電源兩端橋接一個電容為 0.01μF 至 0.1μF 的去耦電容，可以顯著降低整個電路板的噪聲和浪涌電流。完成電流補償后，去耦電容越低越好。由于引線電感低，因此應*佳使用安裝電容。

對電源進行濾波*有效的方法是在交流電源線處布置濾波器。為防止引線相互耦合或產生環路，濾波器的輸入和輸出線應從電路板的兩側引出，引線應盡可能短。

• 電源保護設計

電源保護設計涵蓋過流保護、欠壓報警、軟啟動和過壓保護。通過熔斷器的應用，可以在 PCB 的功率部分實現過流保護。

為了防止熔斷器在熔化過程中影響其他模塊，輸入電壓也應設計為保持電容。

為防止過電壓意外損壞元器件，應通過放電管、壓敏電阻等保護裝置在配電線與地電位之間建立等電位，實現過電壓保護。

3、PCB 布局

• PCB 尺寸

必須考慮 PCB 尺寸。當涉及到超大尺寸的電路板時，隨著阻抗的增加、抗噪能力的降低和制造成本的上升，走線必須走很長一段路。

當電路板尺寸特別小時，會造成散熱問題，并且相鄰走線之間容易發生串擾。推薦的 PCB 尺寸為長寬比為 3:2 或 4:3 的矩形。此外，當板材尺寸超過200mm*150mm時，應考慮板材收回的機械強度。

• 避免直角

過孔、走線等部分避免 45° 到 90°，走線達到超過 45 °時，電容會增加。

結果，特性阻抗發生變化，導致反射，這種反射會導致 EMI。你可以通過修整需要轉角的走線或通過兩個或多個 45 度或更小的角度對它們進行布線來避免此問題。

• 保持信號分離

數字電路、模擬電路和噪聲源應獨立放置在板上，高頻電路應與低頻電路隔離。此外，應注意強弱信號的分量分布和信號傳輸方向問題。

• 盡可能增加走線寬度

更寬的走線尺寸可有效減少輻射發射。

• 使電流回路盡可能小

使返回電流路徑盡可能短，并沿著電阻*小的路徑布線。返回路徑的長度應與傳輸跡線的長度大致相同或更短。

• 謹慎使用過孔

過孔在 PCB 設計中是必要的，因為它們可以在布線時利用電路板中的多個層。但是，在使用它們時必須小心。

通孔將其自身的電感和電容效應添加到混合物中，由于特性阻抗的變化可能導致反射。過孔也會增加走線長度，這需要匹配。盡可能避免使用過孔作為差分走線。

4、元器件放置

• 分離模擬和數字組件

與走線一樣，始終將模擬和數字電路和組件分開。將模擬電路和數字電路放置得很近可能會導致串擾等問題。

為避免這種情況，請使用屏蔽、多層和單獨的接地，使模擬和數字信號盡可能遠離彼此，一般來說，*好將模擬信號和數字信號完全分開。

• 小心高速組件

越快越小，它可能產生的 EMI 量就越大。你可以通過屏蔽和過濾來對抗這種自然的 EMI。

1）可以在電路板設計中將高速組件與其他組件分開。

2）另一個要采取的措施是保持高速信號和時鐘盡可能短，并與接地層相鄰。這些措施有助于將串擾、噪音和輻射水平控制在可接受的水平范圍內。

• 組件根據相同的分類進行放置

兼容的組件應獨立放置，以確保組件在空間中不會相互干擾。

• 重量超過 15 克的組件在被支撐固定之前不應進行焊接

不應該組裝又大又重且產生大量熱量的組件，相反，應該組裝在成品盒子的底板上。此外，必須保證散熱，并且熱敏組件應遠離產生熱量的組件。

• 優先選用 IC 元件

與分立元件相比，IC元件具有封裝優良、焊點少、故障率低等優點，應優先選用。此外，應選擇信號斜率相對較慢的器件，以減少信號產生的高頻部分。表面貼裝器件的應用可以減少走線長度，降低阻抗并提高 EMC。

• 敏感元件放置

敏感信號元件應遠離電源和大功率設備，敏感信號線絕不允許穿過大功率設備。熱敏元件應放置在遠離熱器件的位置，而溫度敏感元件應放置在溫度*低的區域。

• 高電位差元件放置

高電位差元件之間的距離應加大，以免發生短路。另外，大功率元器件應盡量布置在測試時手摸不到的地方，并經過絕緣保護。

5、PCB 層數設計

• 適當的 PCB 層數

在層數方面，單層 PCB、雙層 PCB 和多層 PCB 。

單層 PCB 和雙層 PCB 適用于中低密度布線或低完整性電路。基于制造成本的考慮，大多數消費電子產品依賴于單層 PCB 或雙層 PCB 。然而，由于它們的結構缺陷，它們都會產生大量的EMI，并且它們對外部干擾也很敏感。

多層 PCB 往往更多地應用于高密度布線和高完整性芯片電路。因此，當信號頻率較高且電子元件分布密集時，應選擇至少 4 層的 PCB。在多層 PCB 設計中，電源層和地層應專門布置，信號線和地線之間的距離要減小。

結果，所有信號的環路面積都可以大大減小。從 EMC 的角度來看，多層 PCB 能夠有效降低輻射，提高抗干擾能力。

• 單層 PCB 設計

單層 PCB 通常工作在幾百 KHz 的低頻，因為許多高頻設計條件受到低頻限制，例如缺乏RF電路返回和完全閉合所需的控制條件，明顯的線路趨膚效應或不可避免的磁性和環形天線問題。

因此，單層 PCB 往往對射頻干擾（如靜電、快速脈沖、輻射或傳導射頻）敏感。在單層 PCB 設計中，沒有考慮信號完整性和端子匹配。首先是電源和地線設計，然后是應該放置在地線旁邊的高風險信號設計。越近越好。*后是其他線條的設計。

具體設計措施包括：

1）必須保證電源線和地線沿關鍵電路信號網絡中的電源箱接地點。

2）應根據子功能進行走線布線，并且必須嚴格考慮敏感組件和相應的 I/O 端子和連接器的設計要求。

3）關鍵信號網絡中的所有元件應相鄰放置。

4）當 PCB 需要多個接地點時，確保這些點相互連接，并包括連接方法設計。

5）對于其他線路布線，RF 返回路徑清晰通過。

• 雙層/多層 PCB 設計

1）關鍵電源層應與相應的接地層相鄰布置，并產生耦合電容。關鍵電源層與PCB去耦電容配合，有利于降低電源層的阻抗，獲得良好的濾波效果。

2）相鄰平面上的關鍵信號不允許穿過分裂區，以阻止信號環路擴大，以減少強輻射，降低干擾靈敏度。

3）時鐘信號、高頻信號和高速信號等關鍵信號需要相鄰的接地層。例如，與接地平面相鄰的信號平面可以被視為信號路由的*佳平面，從而可以縮小信號環路面積和屏蔽輻射。

4）電源平面應小于接地平面。