如何在PCB板設(shè)計(jì)中，增強(qiáng)電磁兼容性？

電磁兼容性（EMC，即Electromagnetic Compatibility）是指設(shè)備或系統(tǒng)，在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行，并不對(duì)其環(huán)境中的其它設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁騷擾的能力。

PCB產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮EMC，通常70%以上的EMC問(wèn)題都來(lái)自于板級(jí)的設(shè)計(jì)。如果時(shí)鐘信號(hào)沒(méi)有做好屏蔽，相對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)或是倍頻之后的頻點(diǎn)就可能成為輻射點(diǎn)；信號(hào)沒(méi)有完整可靠的參考平面，傳輸過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生反射，進(jìn)而影響測(cè)試結(jié)果；對(duì)于模擬電路或是高頻電路區(qū)域沒(méi)有進(jìn)行屏蔽，也會(huì)對(duì)EMI（電磁干擾 Electro Magnetic Interference）測(cè)試的結(jié)果產(chǎn)生很大影響。

EMC工程師常用的三個(gè)主要措施：屏蔽，接地，濾波，適當(dāng)?shù)钠ヅ浜投私右矔?huì)產(chǎn)生不錯(cuò)的效果。

下面我們從PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中的四個(gè)階段，來(lái)分析和改善板卡的EMC設(shè)計(jì)。

PCB疊層及阻抗設(shè)計(jì)

隨著信號(hào)頻率的不斷提高，設(shè)計(jì)中對(duì)板卡的疊層和所選擇的材料要求也越來(lái)越高。

信號(hào)傳輸過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生損耗，頻率越高損耗越嚴(yán)重，所以基材的選擇也是EMC設(shè)計(jì)的重要部分。目前市場(chǎng)上通常使用的都是FR4板材，基材分為覆銅板（Core芯板）和半固化片（PP），PCB就是通過(guò)不同的Core和PP進(jìn)行壓合而成。

選擇板材時(shí)需要關(guān)注的特性參數(shù)如下，其中高頻板材的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗越低，板卡上的信號(hào)完整性越好，進(jìn)而可以獲得更好的EMC性能：

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）, HTG>=150度。

基材的熱分解溫度（Td）, Td>=330度。

介質(zhì)常數(shù)（Dk），高頻板信號(hào)設(shè)計(jì)和仿真必須考慮。

介質(zhì)損耗因素（Df），高頻板信號(hào)設(shè)計(jì)和仿真必須考慮。

首先，高速板卡硬件設(shè)計(jì)時(shí)不建議PCB采用兩層板設(shè)計(jì)，因?yàn)閮蓪影搴茈y進(jìn)行阻抗控制。如需滿足常用的單端50ohm和差分100ohm阻抗，線寬和間距上都會(huì)占用很大的空間，信號(hào)布線時(shí)要有伴地線才能做到阻抗控制，具體的阻抗值可參考下圖一所示。

圖一：兩層板阻抗設(shè)計(jì)

兩層板沒(méi)有完整的地平面來(lái)做參考層面，信號(hào)的回流路徑長(zhǎng)，會(huì)影響信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。

所以建議至少采用四層板電路設(shè)計(jì)，才能獲得更好的EMC效果。通常的疊構(gòu)包括四層：
Top/Ground/Power/Bottom，Top層是主要器件的布局層，Ground可以為Top層的器件提供完整的參考平面，Bottom層盡量減少信號(hào)的布線，更多的提供電源的布線。

如果板卡的電源相對(duì)較少，Power層也可以做Ground來(lái)為Bottom層提供完整的參考層面。

常用的四層板疊層如圖二所示，阻抗如圖三和圖四所示：

圖二：四層板疊層設(shè)計(jì)

圖三：四層板單端50歐姆阻抗設(shè)計(jì)

圖四：四層板差分100歐姆阻抗設(shè)計(jì)

其次，關(guān)于高頻PCB應(yīng)用的基材選擇時(shí)，介質(zhì)常數(shù)Dk和介質(zhì)損耗因素Df是兩個(gè)重要的參數(shù)（如圖五所示），還有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg和基材的熱分解溫度Td，這些參數(shù)都會(huì)對(duì)板卡的EMC測(cè)試產(chǎn)生很大的影響。

基材的選擇既要保證信號(hào)質(zhì)量，同時(shí)也要考慮生產(chǎn)成本，最大程度上保證PCB的設(shè)計(jì)質(zhì)量。國(guó)內(nèi)常用的板材有：Tu768，S1170等。

圖五：基材的Dk和Df參考

常用的疊層設(shè)計(jì)規(guī)則如下：

1）至少有一個(gè)連續(xù)完整的地平面控制阻抗和信號(hào)質(zhì)量；

2）電源和地平面靠近放置，這樣可以減少電源對(duì)地阻抗，進(jìn)而降低電源噪聲對(duì)信號(hào)完整性的影響；

3）疊層盡量避免兩個(gè)信號(hào)層相鄰，如果相鄰加大兩個(gè)信號(hào)層的間距；

4）避免兩個(gè)電源平面相鄰，特別是由于信號(hào)層鋪電源而導(dǎo)致的電源平面相鄰；

5）疊層能做到對(duì)阻抗的有效控制，滿足通用的單端50ohm和差分100ohm阻抗要求，及其他一些常規(guī)的阻抗需求，USB 90ohm阻抗；

6）兩個(gè)外層（Top和Bottom）盡可能鋪地，特別是板邊及敏感器件周圍，并且連續(xù)增加地孔，避免長(zhǎng)距離的無(wú)過(guò)孔的銅皮；

總之，PCB疊層和阻抗會(huì)為板卡的EMC設(shè)計(jì)提供良好的基礎(chǔ)，提供一個(gè)最基本的信號(hào)框架，在這個(gè)框架內(nèi)需要滿足信號(hào)及電源完整性的各種質(zhì)量要求，合理的層疊可以減少板卡本身的EMI輻射，整體上提升板卡的EMC等級(jí)。

PCB器件布局設(shè)計(jì)

集成電路的設(shè)計(jì)包含模擬電路和數(shù)字電路，模擬器件靈敏度高，帶寬越大，抗干擾度越差；數(shù)字電路取決于噪聲容限或噪聲抗干擾度。噪聲容限即疊加在輸入信號(hào)上的噪聲最大允許值，如下圖所示：

板級(jí)的EMC濾波設(shè)計(jì)，需要嚴(yán)格區(qū)分不同模塊區(qū)域，盡量避免模擬和數(shù)字電路混合布局，電源模塊電路單獨(dú)空間，接口器件做好防護(hù)，時(shí)鐘和高頻信號(hào)內(nèi)層布線，這些都可以減少信號(hào)的交叉帶來(lái)不必要的影響。

通常電路需要遵循以下的一些基本原則：

1）高速、中速、低速電路要分開(kāi)；DDR, MIPI, Flash等相對(duì)獨(dú)立的高速電路布局要優(yōu)先考慮，其他普通的GPIO等低速電路避免交叉。

2）強(qiáng)電流、高電壓、強(qiáng)輻射元器件遠(yuǎn)離弱電流、低電壓、敏感元器件；若12V電源供電，保證足夠的安全距離并且濾波電路靠近輸入端。

一般電源防雷保護(hù)器件的順序是：壓敏電阻、保險(xiǎn)絲、抑制二極管、EMI 濾波器、電感或者共模電感，對(duì)于原理圖缺失上面任意器件順延布局；

3）開(kāi)關(guān)電源是否遠(yuǎn)離ADDA轉(zhuǎn)換器、模擬器件、敏感器件、時(shí)鐘器件；開(kāi)關(guān)電源布局要緊湊，輸入輸出要分開(kāi)；

4）一般對(duì)接口信號(hào)的保護(hù)器件的順序是：ESD(TVS管)、隔離變壓器、共模電感、電容、電阻，對(duì)于原理圖缺失上面任意器件順延布局；

5）電平變換芯片（如RS232）是否靠近連接器(如串口)放置, 易受ESD干擾的器件，如NMOS、CMOS器件等，是否已盡量遠(yuǎn)離易受ESD干擾的區(qū)域（如單板的邊緣區(qū)域）。

6）模擬電路和數(shù)字電路要分開(kāi)布局，可以保證單點(diǎn)接地；電源模塊盡量集中擺放，PLL或是LDO電源可靠近負(fù)載端減少線路電感。

7）晶體、晶振和時(shí)鐘分配器與相關(guān)的IC器件要盡量靠近；時(shí)鐘電路的濾波器(盡量采用“∏”型濾波)要靠近時(shí)鐘電路的電源輸入管腳；晶體、晶振和時(shí)鐘分配器的布局要注意遠(yuǎn)離大功率的元器件、散熱器等發(fā)熱的器件，晶振盡量遠(yuǎn)離板邊和接口器件。

8）電容務(wù)必要靠近電源管腳放置，而且容值越小的電容要越靠近電源管腳；EMI濾波器要靠近芯片電源的輸入口；原則上每個(gè)電源管腳一個(gè)0.1uF的小電容、一個(gè)集成電路一個(gè)或多個(gè)10uF儲(chǔ)能電容，可以根據(jù)具體情況進(jìn)行增減；

9）對(duì)熱敏感的元件（含液態(tài)介質(zhì)電容、晶振）盡量遠(yuǎn)離大功率的元器件、散熱器等熱源。

PCB信號(hào)布線約束設(shè)計(jì)

結(jié)合上述章節(jié)的疊層阻抗設(shè)計(jì)和器件布局為基礎(chǔ)，我們已經(jīng)為信號(hào)完整性創(chuàng)建了一個(gè)非常穩(wěn)定的平臺(tái)，接下來(lái)就要考慮如何在信號(hào)布線方面來(lái)改善并提高EMC設(shè)計(jì)的效果。

隨著頻率的上升，信號(hào)跳變產(chǎn)生的電磁能量也在增加。如果回路電感很大，就會(huì)使得交流信號(hào)的感抗很大，信號(hào)不僅會(huì)在板內(nèi)傳輸，同時(shí)還會(huì)輻射到空間中去。這時(shí)就要引入微帶線或者帶狀線，他們可以給信號(hào)提供一個(gè)低阻抗的傳輸路徑，電磁能量就被控制在了導(dǎo)體之間的介質(zhì)中。主要原因是信號(hào)路徑與回流路徑靠得更近，這樣整個(gè)回路的電感就減小了。

由此可知，參考平面對(duì)傳輸線的單位長(zhǎng)度有效電感的影響是很大的。

可以想象，在高頻條件下，如果信號(hào)擁有很好的回流路徑，那么它所感受到的回路電感就會(huì)很小，信號(hào)就會(huì)按照人們的意愿從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩?，如果信?hào)感受到的回路電感很大就會(huì)產(chǎn)生輻射問(wèn)題。

通常信號(hào)層要有完整的地平面來(lái)做為參考平面，保證回流路徑最短。

下面總結(jié)一些通用的能有效提高EMC效果的規(guī)則：

1）關(guān)鍵高速信號(hào)線，時(shí)鐘信號(hào)等敏感信號(hào)，走線避免跨越參考平面，就是我們通常所說(shuō)的跨分割，參考平面的改變會(huì)對(duì)信號(hào)電平產(chǎn)生不可預(yù)知的跳變。

2）關(guān)鍵信號(hào)線走線避免“U”型或“O”型，這樣會(huì)形成自環(huán)路；除非特別需要延時(shí)匹配的信號(hào)，像DDR，F(xiàn)lash，SD等需要時(shí)鐘和數(shù)據(jù)延時(shí)匹配，其他的盡量避免人為的增加布線長(zhǎng)度。

3）時(shí)鐘信號(hào)線盡量遠(yuǎn)離板邊或是外置接口器件，布線距離越短越好，遠(yuǎn)離開(kāi)關(guān)電源等干擾器件。晶振下面避免其他容易受影響的信號(hào)布線，建議鋪地銅皮。

有些遠(yuǎn)距離的時(shí)鐘信號(hào)，HDMI和USB等高速信號(hào)盡量?jī)?nèi)層布線，間距保證滿足3W原則，特殊功能的可以采取伴地線處理，同時(shí)每隔200mil左右增加地孔。

4）相同功能的總線要并行走、中間不要夾插其它信號(hào)；接收信號(hào)和發(fā)送信號(hào)分開(kāi)布線，避免平行走線。

5）芯片內(nèi)部的地管腳避免共用地孔，盡量每個(gè)管腳保證一個(gè)地孔，特別是DDR高速信號(hào)管腳的地，密集的區(qū)域可以適當(dāng)增加地孔。

6）浪涌抑制器件（TVS管、壓敏電阻）對(duì)應(yīng)的信號(hào)走線是否在表層短且粗（一般10mil以上）；不同接口之間的走線要清晰，不要互相交叉；接口線到所連接的保護(hù)和濾波器件要盡量短；接口線必須要經(jīng)過(guò)保護(hù)或?yàn)V波器件再到信號(hào)接收芯片；接口器件的固定孔是否接到保護(hù)地，保護(hù)地和信號(hào)地之間通常保持80mil以上的安全間距；變壓器、光耦等前后的地是否分開(kāi)；

連接到機(jī)殼上的定位孔、扳手等沒(méi)有直接接到信號(hào)地上。

7）電源平面針對(duì)地平面內(nèi)縮，保證滿足20H原則（H為電源和地平面之間的介質(zhì)厚度），如果電源數(shù)量不多，可以把電源平面也設(shè)置成地和電源的混合平面。

8）電源部分若有AC220V的，信號(hào)或是銅皮的安全間距要保持300mil以上；DC48V的安全間距要保持在80mil以上，DC12V需要30mil以上，這些安全間距的對(duì)象包括走線，銅皮，過(guò)孔，焊盤等所有相關(guān)因素。

9）時(shí)鐘或是其他容易產(chǎn)生EMI的信號(hào)，盡量避免采用插裝件的管腳或測(cè)試點(diǎn)，需要預(yù)留測(cè)試點(diǎn)的選擇表貼焊盤。換層過(guò)孔比較密集的區(qū)域建議增加濾波電容。DDR時(shí)鐘信號(hào)和DQS盡量?jī)?nèi)層布線，注意匹配電阻和端接電路的位置。

10）高頻電流環(huán)路面積S越大，EMI輻射越嚴(yán)重。減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要任務(wù)之一，就是想方設(shè)法減小高頻電流環(huán)路面積S。布線時(shí)就要減少非必要的繞線或縮短連線，減少高頻電流回路面積。

11）環(huán)路電流頻率f越高，引起的EMI輻射越嚴(yán)重，電磁輻射場(chǎng)強(qiáng)隨電流頻率f的平方成正比增大。減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要途徑之一，就是想方設(shè)法減小騷擾源高頻電流頻率f，即減小騷擾電磁波的頻率f。

PCB包地設(shè)計(jì)規(guī)則

談到EMC設(shè)計(jì)就不可避免的要提到“地”，在PCB設(shè)計(jì)中有很多不同的概念，如數(shù)字地、模擬地、信號(hào)地、機(jī)殼地、電源地、防雷地、共模地、安全地、參考地、大地、RF地、靜電地、防護(hù)地、單點(diǎn)地以及多點(diǎn)地等等。所有以電壓電平為工作特性的電氣設(shè)備都需要有參考，而這個(gè)參考絕大多數(shù)情況下是0V，最后大家約定俗成的把這個(gè)0V參考叫成了“地”。

對(duì)于一個(gè)3.3V的數(shù)字信號(hào)，這個(gè)3.3V電平就是相對(duì)于0V參考而言的。

對(duì)于一般的數(shù)字信號(hào)，用參考的說(shuō)法其實(shí)也是更準(zhǔn)確的，信號(hào)通過(guò)這個(gè)參考來(lái)達(dá)到回流的目的。關(guān)于回流，并不只有“地”才可以回流，實(shí)際上一切皆可回流，包括地、電源以及旁邊的信號(hào)。但是通常PCB設(shè)計(jì)中都會(huì)有一個(gè)完整的地平面來(lái)提供參考平面。
下面整理了一些關(guān)于PCB地設(shè)計(jì)的常用規(guī)則：

1）器件貼片層（Top）的相鄰層建議保證完整的地平面，為芯片提供短而有效的回流路徑，芯片的地管腳可以直接通過(guò)過(guò)孔連接到地平面，對(duì)后續(xù)EMC測(cè)試起到非常重要的作用。

2）電源平面的相鄰層也要有完整的地平面，降低電源對(duì)地阻抗，可以有效的抑制電源噪聲對(duì)其他信號(hào)的影響，提高EMC效果。

3）時(shí)鐘信號(hào)在空間允許的情況下，可以采用包地處理，地線上均勻地增加地孔，這樣可以有效抑制時(shí)鐘信號(hào)的平行輻射。特別是遠(yuǎn)距離的布線，輸入和輸出端或是信號(hào)換層處都要增加地孔或是濾波電容。

4）ACDC和DCDC電源的輸入地和輸出地要盡量分開(kāi)，避免輸入的噪聲耦合到板內(nèi)的電源或地上面。對(duì)于48V和12V電源，要盡量增加地的銅皮面積，最好大于相應(yīng)的電源面積。

5）電源平面在滿足過(guò)流的前提下，板卡周圍盡可能增加地平面，這們也可以抑制電源噪聲的平行輻射。

6）各個(gè)IO接口的外殼地盡量和板內(nèi)的信號(hào)地通過(guò)電感或是磁珠隔離，模擬器件的地與數(shù)字地采用單點(diǎn)接地，相應(yīng)的電源或地平面也要做分配。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的布線保持足夠的安全距離。

7）高速信號(hào)板通常是多層板，都會(huì)有完整的地參考平面。信號(hào)線包地的主要目的是減少信號(hào)間的串?dāng)_。包地線是位于攻擊線和被攻擊線之間的隔離線，它可以有效的減少信號(hào)之間的電容，插入屏蔽地線后信號(hào)與地耦合，不在與鄰近線耦合，使線間串?dāng)_大大降低。

另外包地線不僅僅只是屏蔽了電場(chǎng)，信號(hào)線上的電流也在包地線上產(chǎn)生了方向相反的感應(yīng)電流，包地線上的感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁力線進(jìn)一步抵消了動(dòng)態(tài)線在靜態(tài)線位置處所產(chǎn)生的雜散磁力線。如圖六：

圖六：高速信號(hào)線間的包地設(shè)計(jì)

8）針對(duì)兩層板的PCB設(shè)計(jì)，由于缺少完整的參考平面，重要信號(hào)的包地就非常重要。包地線的寬度要盡量寬，最好在信號(hào)寬度的兩倍以上。同時(shí)多打過(guò)孔，過(guò)孔間距小于信號(hào)線上信號(hào)波長(zhǎng)1/5。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)_。

以上我們介紹了板級(jí)EMC設(shè)計(jì)需要注意的幾個(gè)主要方面，成熟的產(chǎn)品會(huì)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮EMC的相關(guān)影響因素，通過(guò)不斷地改善來(lái)實(shí)現(xiàn)最終的產(chǎn)品化。

來(lái)源： 恩智浦MCU加油站
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審核編輯 黃宇