【導讀】在“EMC設計工作坊”上，程工（化二為一）對EMC設計的見解獨到，經驗之豐富令人印象深刻。為此電子元件技術網特邀請到程工為我們分享其在EMC、PCB設計方面所積累的多年經驗，相信對大家解決PCB的EMC問題一定會有所幫助。
第一章：PCB的EMC設計
1、PCB 設計的EMC 思想
根據筆者從事硬件、EMC、PCB設計的多來積累的經驗來看，要設計出一塊EMC、SI性能優越的PCB板，難度不大，但是PCB工程師必須在PCB設計深深地融入如下思想與意識，或者說要敬畏如下規則：
（1）“回流路徑”要控制
信號從本質上說，就是環路，即從源到目標（信號線），然后返回到源（返回路徑），否則就形成不了信號或電磁干擾（基爾霍夫定理）。
信號或電流從最低阻抗的路徑返回到源，由于回流路徑（電源平面）存在ESL、ESR，導致低頻信號、高頻的返回路徑迥然不同：
A）如果返回路徑的阻抗大于377歐，信號就會通過空間返回（形成對外的電磁干擾）；
B）如果信號線與其返回路徑形成的“環路”面積過大，就容易向外輻射電磁干擾，或接收到外部的電磁場（法拉第電磁感應原理），也就是說，該信號的抗干擾（如靜電ESD、輻射抗擾度RS）性能差，對外的電磁騷擾過大（RE）；
C）多條信號的返回路徑相同，會形成串擾（相互干擾）；
D）信號環路的增大，其ESL相應增加，導致信號產生振蕩、過沖等信號完整性問題。
（2） “特征阻抗”不能突變
作為PCB或硬件工程師，一定要有如下思想：“特征阻抗”是什么？哪些因素影響“特征阻抗”？“特征阻抗”變化會給EMC與SI帶來什么危害？
（3）識別與控制PCB板上的電磁干擾
A）PCB板上的電磁干擾源有哪些？（電流或電壓急劇變化部件，如晶振、總線驅動器、開關電源，以及外部線纜的連接端口、電源輸入）；
B）PCB板上的敏感器件或走線有哪此？（低壓CPU、晶振、復位信號、開關控制信號、AD芯片）；
C）控制電磁干擾的流向。讓電磁干擾盡可能的低阻抗返回到源：如將外部線纜耦合到的電磁干擾，低阻抗的返回到大地，避免其流向敏感電路或器件；規避晶振的高速諧波通過空間或其他信號線返回到源；通過高頻濾波電容，控制邏輯器件開關切換時產生的同步開關噪聲，防止其干擾共用電源系統的其他器件工作。
PCB板中的電磁干擾的流向控制技術，主要有濾波（電容、磁珠、瞬態抑制）、地線隔離等。
本文為程工多年經驗所得，未經同意嚴禁轉載！
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2、PCB 中EMC 設計的重要性
PCB是EMC技術中最值得探討的部分。它不僅是設備工作頻率最高的部分，同時，也是電平最低、對電磁騷擾最為敏感的部分。PCB的EMC設計中，實際上已經包含了接地設計、去耦/旁路設計、串擾屏蔽等EMC設計知識。EMC設計良好的PCB，不但可以降低流過干擾共模電流時產生的壓降，同時也是減小環路的重要手段，因此，一個有著良好去耦與旁路設計PCB的設備相當于有一個健壯的“體格”。
PCB板是電子產品最基本的部件，也是絕大部分電子元器件的載體。當一個產品的PCB板設計完成后，可以說其核心電路的騷擾和抗擾特性就基本已經確定下來了，要想再提高其電磁兼容特性，就只能通過接口電路的濾波和外殼的屏蔽來“圍追堵截”了，這樣不但大大增加了產品的后續成本，也增加了產品的復雜程度，降低了產品的可靠性。可以說一個好的PCB板可以解決大部分的電磁騷擾問題，只要在接口電路排板時適當增加瞬態抑制器件和濾波電路就可以同時解決大部分抗擾度和騷擾問題。
在PCB布線中增強電磁兼容性不會給產品的最終完成帶來附加費用。如果，在PCB板設計中，產品設計師往往只注重提高密度，減小占用空間，制作簡單，或追求美觀，布局均勻，忽視了線路布局對電磁兼容性的影響，使大量的信號輻射到空間形成騷擾。那么這個產品將導致大量的EMC問題。
在很多例子中，就算加上濾波器和元器件也不能解決這些問題。到最后，不得不對整個板子重新布線。因此，在開始時養成良好的PCB布線習慣是最省錢的辦法。
3、PCB 設計的EMC 基礎知識
部分電磁兼容的基礎知識，是優秀的PCB工程師需要了解或掌握的，主要如下：電磁兼容、電磁場與電磁波、高速電路設計、信號完整性、電源完整性、數字電路、模擬電路、高頻電路原理、開關電源等。
第二章 PCB 設計的EMC 原則
1、整體布局
（1）高速、中速、低速電路要分開；
（2）強電流、高電壓、強輻射元器件遠離弱電流、低電壓、敏感元器件；
（3）模擬、數字、電源、保護電路要分開；
（4）多層板設計，有單獨的電源和地平面；
（5）對熱敏感的元件（含液態介質電容、晶振）盡量遠離大功率的元器件、散熱器等熱源。
備注：嚴禁遵循“干擾的流向控制”原則，即防止板內相互干擾，阻止板內電磁干擾耦合到I/O端口；將耦合到電路板的外部電磁干擾，低阻抗的、就靠泄放到大地（或機殼PG）。
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2、疊層
（1）至少有一個連續完整的地平面控制關鍵信號的阻抗和信號質量；
（2）電源和地平面盡可能地靠近放置，提高電源噪聲的高頻濾波效果；
（3）疊層盡量避免兩個信號層相鄰，如果相鄰加大兩個信號層的間距；
（4）避免兩個電源平面相鄰，特別是由于信號層鋪電源而導致的電源平面相鄰；
（5）好的疊層能做到對阻抗的有效控制；
（6）外層建議鋪地。
備注：增加PCB的電源或地平面，非常有利于信號環路或特性阻抗的控制，因此，該措施一直以來，被經驗豐富的工程師視為解決EMC和SI、PI的殺手锏。
3、整體布線
（1）關鍵信號線走線（返回路徑）避免跨分割（參考平面）；
（2）關鍵信號線走線“換層，不換參考平面”；
（3）關鍵信號線走線不要人為的繞長；
（4）關鍵信號線是遠離邊沿和接口；
（5）相同功能的總線要并行走、中間不要夾叉其它信號；
（6）晶振、開關電源等高頻干擾源下面不允許走線；
（9）接收和發送信號要分開走，不能互相夾叉；
（10）非關鍵信號線換層或其返回路徑跨分割（不可規避）時，必須使用過孔或10nF的濾波電容，控制其高頻返回路徑；
（11）高速信號線走線的寬度不能突變。
備注：關鍵信號一般為高速信號、周期性信號或晶振、復位信號、開關控制信號等。PCB工程師必須熟悉。
4、電容和濾波器件
（1）高頻濾波電容務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；
（2）EMI濾波器要靠近芯片電源的輸入口；
（3）原則上每個電源管腳一個0.1uf以下的高頻濾波電容、一個集成電路一個或多個10uf大電容（儲能或旁路電容），可以根據具體情況進行增減；
（4）電源系統的儲能或旁路電容，有利于提高電源系統的抗干擾性能或電源完整性，如條件允許，可在PCB板上均勻的布置一些。
備注：PCB工程師必須了解各種電容的高頻特性與濾波原理，掌握高頻濾波電容布置與走線技巧（降低ESL）。
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5、隔離和防護
（1）浪涌抑制器件（TVS管、壓敏電阻）對應的信號走線要短、粗（一般15 mil以上）；
（2）不同接口之間的走線要清晰，不要互相交叉；
（3）接口線到所連接的保護和濾波器件要盡量短；
（4）接口線必須要經過保護或濾波器件再到信號接收芯片；
（5）金屬連接器的固定孔接到保護地（機殼地PG）；
（6）變壓器、光耦等前后的地分開；
（7）連接到機殼上的定位孔、扳手等沒有直接接到信號地上。
6、其他原則
（1）電源平面比地平面內縮“20H”（H為電源和地平面的距離）；
（2）電源平面比地平面內縮40mil以上，并間隔150mil打地過孔；
（3）布線是盡量避免的STUB線；
（4）保護地（機殼地PG）和信號地之間的間距大于80mil；
（5）DC48V的爬電間距是否為80mil以上；
（6）AC220V的爬電間距最少為300mil；
（7）差分布線可以抑制共模干擾；
（8）跨分割的線是否進行了合適的處理；
（9）敏感的信號線是否采用包地處理。
備注：產品的“安規”性能、電源完整性，基本上控制在PCB工程師的手中。
第三章 PCB設計的EMC案例
1、接口與保護
（1）走線通流量
有雷擊浪涌測試（帶有防雷型TVS管、陶瓷氣體放電管）要求的I/O端口，信號線的通流量要足夠，走線原則上要求：﹥15mil/1盎司。
（2）走線的順序
走線遵循“防護+濾波+接口芯片”，即信號線先“走到”防護器件（如TVS管、保險絲），然后通過電容、電阻等濾波，最后才連接到需要防護的器件。
嚴禁外部干擾未經防護或濾波器件的瞬態抑制或濾波，到達接口芯片。
防護或濾波器件的泄放引腳，必須低阻抗的連接到機殼地（PG）或數字地（GND）。
（3）器件的擺放
消除“側擊”（空間放電）：易受ESD干擾的器件，如NMOS、CMOS器件等，盡量遠離易受ESD干擾的區域100mil以上（如單板的邊緣區域、金屬連接器外殼），防止外部電磁干擾，通過上述部位側擊到敏感器件。
防止內部干擾外泄：晶振等高頻干擾源，必須遠離板邊或金屬連接器1 inch以上；須防止外部電磁干擾“繞開”防護或濾波器件（含信號線上的電阻），側擊到敏感或接口芯片。
備注：接口是EMC設計的重中之重，解決了接口（信號端口、電源端口）問題，也等于解決了產品絕大多數EMC問題。
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2、時鐘與晶振
（1）晶體、晶振和時鐘分配器與相關的IC器件要盡量靠近；
（2）時鐘電路的濾波器(盡量采用“π”型濾波)要靠近時鐘電路的電源輸入管腳；
（3）有源晶振輸出串接電阻和并聯電容；
（4）時鐘分配器沒用的輸出管腳通過電阻接地；
（5）晶體、晶振和時鐘分配器的布局要注意遠離大功率的元器件、散熱器等發熱的器件；
（6）晶振、周期性信號遠離板邊和接口器件1 inch以上；
（7）有金屬外殼的晶體，其外殼須與表層的局部地相連；
（8）時鐘電路的電源加寬，并有濾波電路；
（9）超過1 inch的時鐘線走內層；
（10）走內層的時鐘線在表層的走線<50mil；
（11）嚴禁時鐘走線換層時更換“參考平面”，以及返回路徑跨分割；
（12）時鐘線是否采用立體包地；
（13）時鐘相關芯片（如晶振、晶體）在表層有局部的地平面包繞，該地平面通過多個過孔與地層相連；
（14）時鐘線與其它信號線的間距達到5W（W為線寬）；晶振、晶體下放原則上不允許走其他信號線，尤其是I/O線。
3、開關電源
（1）開關電源（含開關電源芯片，下同）遠離ADDA轉換器、模擬器件、敏感器件、時鐘器件；
（2）開關電源布局要緊湊，輸入輸出要分開，防止輸入輸出之間的串擾；
（3）嚴格按照原理圖的要求進行布局，不要將開關電源的高頻濾波（0.1uf以下）電容隨意放置。
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