PCB設(shè)計(jì)之EMC 47原則

差模電流和共模電流

輻射產(chǎn)生：電流導(dǎo)致輻射，而非電壓，靜態(tài)電荷產(chǎn)生靜電場(chǎng)，恒定電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，時(shí)變電流既產(chǎn)生電場(chǎng)又產(chǎn)生磁場(chǎng)。任何電路中存在共模電流和差模電流，差模信號(hào)攜帶數(shù)據(jù)或有用信號(hào)，共模信號(hào)是差模模式的負(fù)面效果。

差模電流：大小相等，方向（相位）相反。由于走線的分布電容、電感、信號(hào)走線阻抗不連續(xù)，以及信號(hào)回流路徑流過了意料之外的通路等，差模電流會(huì)轉(zhuǎn)換成共模電流共模電流：大小不一定相等，方向（相位）相同。

設(shè)備對(duì)外的干擾多以共模為主，差模干擾也存在，但共模干擾強(qiáng)度常常比差模強(qiáng)度大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。外來(lái)的干擾也多以共模干擾為主，共模干擾本身一般不會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生危害，但如果共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_，就嚴(yán)重了，因?yàn)橛杏眯盘?hào)都是差模信號(hào)。

差模電流的磁場(chǎng)主要集中在差模電流構(gòu)成的回路面積內(nèi)，而回路面積之外，磁力線會(huì)相互抵消；共模電流的磁場(chǎng)在回路面積之外，共模電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相同。

PCB的很多EMC設(shè)計(jì)都遵循以上理論。

在 PCB 板上抑制干擾的途徑有：減小差模信號(hào)回路面積。

減小高頻噪聲回流（濾波、隔離及匹配）。

減小共模電壓（接地設(shè)計(jì)）。

PCB設(shè)計(jì)原則歸納

原則1：PCB時(shí)鐘頻率超過5MHZ或信號(hào)上升時(shí)間小于5ns,一般需要使用多層板設(shè)計(jì)。

原因：采用多層板設(shè)計(jì)信號(hào)回路面積能夠得到很好的控制。

原則2：對(duì)于多層板，關(guān)鍵布線層（時(shí)鐘線、總線、接口信號(hào)線、射頻線、復(fù)位信號(hào)線、片選信號(hào)線以及各種控制信號(hào)線等所在層）應(yīng)與完整地平面相鄰，優(yōu)選兩地平面之間。

原因：關(guān)鍵信號(hào)線一般都是強(qiáng)輻射或極其敏感的信號(hào)線，靠近地平面布線能夠使其信號(hào)回路面積減小，減小其輻射強(qiáng)度或提高抗干擾能力。

原則3：對(duì)于單層板，關(guān)鍵信號(hào)線兩側(cè)應(yīng)該包地處理；

原因：關(guān)鍵信號(hào)兩側(cè)包地，一方面可以減小信號(hào)回路面積，另外防止信號(hào)線與其他信號(hào)線之間的串?dāng)_。

原則4：對(duì)于雙層板，關(guān)鍵信號(hào)線的投影平面上有大面積鋪地，或者與單面板一樣包地打孔處理。

原因：與多層板關(guān)鍵信號(hào)靠近地平面相同

原則5：多層板中，電源平面應(yīng)相對(duì)于其相鄰地平面內(nèi)縮5H-20H（H為電源和地平面的距離）。

原因：電源平面相對(duì)于其回流地平面內(nèi)縮可以有效抑制邊緣輻射問題。

原則6：布線層的投影平面應(yīng)該在其回流平面層區(qū)域內(nèi)。

原因：布線層如果不在回流平面層的投影區(qū)域內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致邊緣輻射問題，并且導(dǎo)致信號(hào)回路面積增大，從而導(dǎo)致差模輻射增大。

原則7：多層板中，單板TOP、BOTTOM層盡量無(wú)大于50MHZ的信號(hào)線，

原因：最好將高頻信號(hào)走在兩個(gè)平面層之間，以抑制其對(duì)空間的輻射。

原則8：對(duì)于板級(jí)工作頻率大于50MHz的單板，若第二層與倒數(shù)第二層為布線層，則TOP和BOOTTOM層應(yīng)鋪接地銅箔。

原因：最好將高頻信號(hào)走在兩個(gè)平面層之間，以抑制其對(duì)空間的輻射。

原則9：多層板中，單板主工作電源平面（使用最廣泛的電源平面）應(yīng)與其地平面緊鄰。

原因：電源平面和地平面相鄰可以有效地減小電源電路回路面積。

原則 10：在單層板中，電源走線附近必須有地線與其緊鄰、平行走線。

原因：減小電源電流回路面積。

原則 11：在雙層板中，電源走線附近必須有地線與其緊鄰、平行走線。

原因：減小電源電流回路面積。

原則 12：在分層設(shè)計(jì)時(shí)，盡量避免布線層相鄰的設(shè)臵。如果無(wú)法避免布線層相鄰，應(yīng)該適當(dāng)拉大兩布線層之間的層間距，縮小布線層與其信號(hào)回路之間的層間距。

原因：相鄰布線層上的平行信號(hào)走線會(huì)導(dǎo)致信號(hào)串?dāng)_。

原則 13：相鄰平面層應(yīng)避免其投影平面重疊。

原因：投影重疊時(shí)，層與層之間的耦合電容會(huì)導(dǎo)致各層之間的噪聲互相耦合。

原則14：PCB布局設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分遵守沿信號(hào)流向直線放臵的設(shè)計(jì)原則，盡量避免來(lái)回環(huán)繞。

原因：避免信號(hào)直接耦合，影響信號(hào)質(zhì)量。

原則 15：多種模塊電路在同一 PCB 上放臵時(shí)，數(shù)字電路與模擬電路、高速與低速電路應(yīng)分開布局。

原因：避免數(shù)字電路、模擬電路、高速電路以及低速電路之間的互相干擾。

原則 16：當(dāng)線路板上同時(shí)存在高、中、低速電路時(shí)，應(yīng)該遵從高、中速電路遠(yuǎn)離接口。

原因：避免高頻電路噪聲通過接口向外輻射。

原則17：存在較大電流變化的單元電路或器件（如電源模塊:的輸入輸出端、風(fēng)扇及繼電器）附近應(yīng)放臵儲(chǔ)能和高頻濾波電容。

原因：儲(chǔ)能電容的存在可以減小大電流回路的回路面積。

原則 18：線路板電源輸入口的濾波電路應(yīng)靠近接口放臵，

原因：避免已經(jīng)經(jīng)過了濾波的線路被再次耦合。

原則19：在PCB板上，接口電路的濾波、防護(hù)以及隔離器件應(yīng)該靠近接口放臵。

原因：可以有效的實(shí)現(xiàn)防護(hù)、濾波和隔離的效果。

原則 20：如果接口處既有濾波又有防護(hù)電路，應(yīng)該遵從先防護(hù)后濾波的原則。

原因：防護(hù)電路用來(lái)進(jìn)行外來(lái)過壓和過流抑制，如果將防護(hù)電路放臵在濾波電路之后，濾波電路會(huì)被過壓和過流損壞。

原則21：布局時(shí)要保證濾波電路（濾波器）、隔離以及防護(hù)電路的輸入輸出線不要相互耦合。

原因：上述電路的輸入輸出走線相互耦合時(shí)會(huì)削弱濾波、隔離或防護(hù)效果。

原則22：?jiǎn)伟迳先绻O(shè)計(jì)了接口“干凈地”，則濾波、隔離器件應(yīng)放臵在“干凈地”和工作地之間的隔離帶上。

原因：避免濾波或隔離器件通過平面層互相耦合，削弱效果。

原則 23： “干凈地”上，除了濾波和防護(hù)器件之外，不能放臵任何其他器件。

原因：“干凈地”設(shè)計(jì)的目的是保證接口輻射最小，并且“干凈地”極易被外來(lái)干擾耦合，所以“干凈地”上不要有其他無(wú)關(guān)的電路和器件。

原則 24：晶體、晶振、繼電器、開關(guān)電源等強(qiáng)輻射器件遠(yuǎn)離單板接口連接器至少1000mil。

原因：將干擾會(huì)直接向外輻射或在外出電纜上耦合出電流來(lái)向外輻射。

原則25：敏感電路或器件（如復(fù)位電路、:WATCHDOG電路等）遠(yuǎn)離單板各邊緣特別是單板接口側(cè)邊緣至少1000mil。

原因：類似于單板接口等地方是最容易被外來(lái)干擾（如靜電）耦合的地方，而像復(fù)位電路、看門狗電路等敏感電路極易引起系統(tǒng)的

誤操作。

原則26：為IC濾波的各濾波電容應(yīng)盡可能靠近芯片的供電管腳放臵。

原因：電容離管腳越近，高頻回路面積越小，從而輻射越小。

原則 27：對(duì)于始端串聯(lián)匹配電阻，應(yīng)靠近其信號(hào)輸出端放臵。

原因：始端串聯(lián)匹配電阻的設(shè)計(jì)目的是為了芯片輸出端的輸出阻抗與串聯(lián)電阻的阻抗相加等于走線的特性阻抗，匹配電阻放在末端，無(wú)法滿足上述等式。

原則28：PCB走線不能有直角或銳角走線。

原因：直角走線導(dǎo)致阻抗不連續(xù)，導(dǎo)致信號(hào)發(fā)射，從而產(chǎn)生振鈴或過沖，形成強(qiáng)烈的EMI輻射。

原則 29：盡可能避免相鄰布線層的層設(shè)臵，無(wú)法避免時(shí)，盡量使兩布線層中的走線相互垂直或平行走線長(zhǎng)度小于1000mil。

原因：減小平行走線之間的串?dāng)_。

原則 30：如果單板有內(nèi)部信號(hào)走線層，則時(shí)鐘等關(guān)鍵信號(hào)線布在內(nèi)層（優(yōu)先考慮優(yōu)選布線層）。

原因：將關(guān)鍵信號(hào)布在內(nèi)部走線層可以起到屏蔽作用。

原則 31：時(shí)鐘線兩側(cè)建議包地線，包地線每隔 3000mil 打接地過孔。

原因：保證包地線上各點(diǎn)電位相等。

原則 32：時(shí)鐘、總線、射頻線等關(guān)鍵信號(hào)走線和:其他同層平行走線應(yīng)滿足 3W 原則。

原因：避免信號(hào)之間的串?dāng)_。

原則33：電流≥1A的電源所用的表貼保險(xiǎn)絲、磁珠、電感、鉭電容的焊盤應(yīng)不不少于兩個(gè)過孔接到平面層。

原因：減小過孔等效阻抗。

原則34：差分信號(hào)線應(yīng)同層、等長(zhǎng)、并行走線，保持阻抗一:致，差分線間無(wú)其它走線。

原因：保證差分線對(duì)的共模阻抗相等，提高其抗干擾能力。

原則 35：關(guān)鍵信號(hào)走線一定不能跨分割區(qū)走線（包括過孔、焊盤導(dǎo)致的參考平面間隙）。

原因：跨分割區(qū)走線會(huì)導(dǎo)致信號(hào)回路面積的增大。

原則 36：信號(hào)線跨其回流平面分割地情況不可避免時(shí)，建議在信號(hào)跨分割附近采用橋接電容方式處理，電容取值為1nF。

原因：信號(hào)跨分割時(shí)，常常會(huì)導(dǎo)致其回路面積增大，采用橋接地方式是人為的為其設(shè)臵信號(hào)回路。

原則 37：?jiǎn)伟迳系臑V波器（濾波電路）下方不要有其他無(wú)關(guān)信號(hào)走線。

原因：分布電容會(huì)削弱濾波器的濾波效果。

原則 38：濾波器（濾波電路）的輸入、輸出信號(hào)線不能相互平行、交叉走線。

原因：避免濾波前后的走線直接噪聲耦合。

原則39：關(guān)鍵信號(hào)線距參考平面邊沿≥3H（H為線距離參考平面的高度）。

原因：抑制邊緣輻射效應(yīng)。

原則 40：對(duì)于金屬外殼接地元件，應(yīng)在其投影區(qū)的頂層上鋪接地銅皮。

原因：通過金屬外殼和接地銅皮之間的分布電容來(lái)抑制其對(duì)外輻射和提高抗擾度。

原則 41：在單層板或雙層板中，布線時(shí)應(yīng)該注意“回路面積最小化”設(shè)計(jì)。

原因：回路面積越小、回路對(duì)外輻射越小，并且抗干擾能力越強(qiáng)。

原則 42：信號(hào)線（特別是關(guān)鍵信號(hào)線）換層時(shí)，應(yīng)在其換層過孔附近設(shè)計(jì)地過孔。

原因：可以減小信號(hào)回路面積。

原則 43：時(shí)鐘線、總線、射頻線等:強(qiáng)輻射信號(hào)線遠(yuǎn)離接口外出信號(hào)線。

原因：避免強(qiáng)輻射信號(hào)線上的干擾耦合到外出信號(hào)線上，向外輻射。

原則 44：敏感信號(hào)線如復(fù)位信號(hào)線、片選信號(hào)線、系統(tǒng)控制信號(hào)等遠(yuǎn)離接口外出信號(hào)線。

原因：接口外出信號(hào)線常常帶進(jìn)外來(lái)干擾，耦合到敏感信號(hào)線時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤操作。

原則 45：在單面板和雙面板中，濾波電容的走線應(yīng)先經(jīng)濾波電容濾波，再到器件管腳。

原因：使電源電壓先經(jīng)過濾波再給IC供電，并且IC回饋給電源的噪聲也會(huì)被電容先濾掉。

原則 46：在單面板或雙面板中，如果電源線走線很長(zhǎng)，應(yīng)每隔 3000mil 對(duì)地加去耦合電容，電容取值為10uF＋1000pF。

原因：濾除電源線上地高頻噪聲。

原則 47：濾波電容的接地線和接電源線應(yīng)該盡可能粗、短。

原因：等效串聯(lián)電感會(huì)降低電容的諧振頻率，削弱其高頻濾波效果