依舊自我介紹，張工，NPI 工程師，如果還不知道我具體是干什么的，歡迎看我的第一篇文章（主頁(yè)點(diǎn)進(jìn)去即可）。
萬(wàn)變不離其宗，作為 NPI 工程師，DFM 可制造性分析涉及的范圍非常廣，今天主要是關(guān)于：EMC，PCB設計中如何降低EMC?
一、EMC是什么？
在PCB設計中，主要的EMC問(wèn)題包括3種：傳導干擾、串擾干擾、輻射干擾。
1、傳導干擾
傳導干擾通過(guò)引線(xiàn)去耦和共模阻抗去耦影響其他電路，例如：噪聲通過(guò)電源電路進(jìn)入系統，支持電路將受到噪聲的影響。
下圖顯示了通過(guò)共模阻抗進(jìn)行的噪聲去耦。電路1和電路2通過(guò)同一根導線(xiàn)獲得電源電壓的和接地環(huán)路。如果其中一個(gè)電路的電壓突然需要提高，另一個(gè)電路將降低，因為公共電源和兩個(gè)回路之間的阻抗。
2、串擾干擾
串擾干擾是指一根信號線(xiàn)對相鄰信號線(xiàn)的干擾，通常發(fā)生在相鄰的電路和導體上，其特點(diǎn)是電路與導體之間存在互電容和互阻抗。例如：PCB上的帶狀線(xiàn)，信號電平較低，當平行線(xiàn)長(cháng)度超過(guò)10cm時(shí)，串擾就會(huì )出現。
由于電場(chǎng)可以通過(guò)互電容引起串擾，磁場(chǎng)可以通過(guò)互阻抗引起串擾，因此首先要確認哪個(gè)去耦起到主要作用，是電場(chǎng)（互電容）去耦還是磁場(chǎng)（互阻抗）去耦。功率阻抗和接受器阻抗的乘積可以作為參考，取決于電路和頻率之間的配置。
3、輻射干擾
輻射干擾是指由自由電磁波釋放的輻射引起的干擾。PCB中的輻射干擾是指電纜和內部線(xiàn)路之間的共模輻射干擾。當電磁波照射在輸電路線(xiàn)上時(shí)，會(huì )出現電場(chǎng)對線(xiàn)路的解耦問(wèn)題，線(xiàn)路上分布的小電壓源分為CM（共模）和DM（差模）。CM電流是指來(lái)自?xún)筛鶎?lián)的電流幾乎相等的幅度和相同的相位。而DM電流是指來(lái)自?xún)筛鶎?lián)的電流具有相同的輻射和相反的相位。
二、如何減少EMC問(wèn)題的產(chǎn)生？
1、低電感接地系統
在PCB設計中最常用的就是低電感接地系統。最大化PCB上的接地面積可以降低系統中的接地電感，這樣可以減少電磁輻射和干擾，可以使用不同的方法將信號接地。
在PCB設計中，最好的方法是將PCB中其中一層接地，這樣可以提供低阻抗，如果不能整層接地，就采用接地網(wǎng)，在這種情況下，接地電感取決于網(wǎng)格之間的空間。
低電感接地系統
下圖為各種地平面應用圖，高速電路靠近地放置、低速電路靠近電源層。銅填充區域始終接地。否則，可能會(huì )充當天線(xiàn)并導致EMC問(wèn)題。在電路中需要多個(gè)電源的情況下，將電源層和接地層分開(kāi)可以防止電源彼此產(chǎn)生噪聲。
各種地平面應用圖
2、元器件根據功能進(jìn)行放置
PCB上的組件應該根據功能進(jìn)行分組。例如模擬、數字、電源、低速電路、高速電路。每個(gè)組件的信號走線(xiàn)必須保持在定義的區域內。當信號需要從一個(gè)子系統連接到另一個(gè)子系統的時(shí)候，可以使用濾波器。
下圖說(shuō)明了如何使用分段將四個(gè)不同的電路分開(kāi)。地平面使用未金屬化的護城河/通道有效地隔離了電路。電感和電容對每個(gè)電路進(jìn)行濾波，電源層之間的耦合減少。
元器件根據功能進(jìn)行放置
3、PCB層數排列
PCB 的 EMC 性能還取決于其層的排列。在 2 層 PCB 的情況下，應將整個(gè)層用作接地層。如果不可能整層接地，則應放置接地網(wǎng)。對于 4 層 PCB，接地層以下的層應作為電源層 。超過(guò) 4 層的 PCB 應具有偶數層，并由交替的接地層和信號層組成，以避免出現 EMC 問(wèn)題。
下圖顯示了圍繞核心（層壓板）構建的 FR4 1.6 毫米 4 層 PCB 的疊層。核心是兩面都有銅層的厚介電片。核心的頂部和下方添加了薄的預浸料，即介電材料片。對于這種特定情況，中間層 1 和 2 分別代表接地層和電源層。頂層和底層用作信號平面，每側可以焊接多個(gè)組件。多層堆疊的配置在 EMC 應用中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。
PCB 層堆疊
4、添加去耦電容
當 IC 工作時(shí)，由于其內部結構，它們會(huì )以高頻進(jìn)行切換。這種情況會(huì )在 IC 連接軌道中產(chǎn)生開(kāi)關(guān)噪聲。如果不控制這種噪聲，它將導致發(fā)射，從而導致 EMI 。通過(guò)在 IC 附近放置一個(gè)去耦電容，可以減少 PCB 上開(kāi)關(guān)噪聲的傳播并將噪聲引導至地面。
去耦電容布局
5、避免串擾
串擾用于識別由 PCB 上的一條軌道到附近另一條軌道的電磁噪聲引起的干擾。PCB 中的串擾通常發(fā)生在同一層中并排的軌道或相鄰層中的一個(gè)軌道上。這種情況表現為噪聲，如果振幅過(guò)大可能會(huì )導致故障 。
串擾示例
6、不要90°走線(xiàn)
與過(guò)孔類(lèi)似，不應實(shí)施直角 90° 軌道轉彎，因為它會(huì )增加寄生電容，導致特性阻抗發(fā)生變化，從而導致反射。如圖 所示，所有正交走線(xiàn)都應采用 45° 彎曲，以限制耦合到附近走線(xiàn)的噪聲。
45°走線(xiàn)
45° 角跡線(xiàn)，其中 W 是跡線(xiàn)寬度
信號走線(xiàn)的寬度從源到負載應該是恒定的。改變跡線(xiàn)的寬度會(huì )產(chǎn)生阻抗變化（電阻、電感和電容），因此在高速信號和線(xiàn)路阻抗不平衡的情況下會(huì )引起反射。此外，應盡量減少電源和接地平面中的分離孔徑（即寬過(guò)孔或長(cháng)孔），因為它們會(huì )在平面內產(chǎn)生不均勻區域。這會(huì )導致屏蔽效能降低和總阻抗增加 。
存根走線(xiàn)
短截線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生反射，并有可能將波長(cháng)可分天線(xiàn)添加到電路中。盡管短截線(xiàn)長(cháng)度可能是系統中任何已知信號的非四分之一波長(cháng)整數，但入射的輻射 EM 波可能會(huì )在短截線(xiàn)上產(chǎn)生共振。因此，在布線(xiàn)時(shí)應避免帶有承載高頻或敏感信號的走線(xiàn)的存根 。
7、走線(xiàn)分離
走線(xiàn)分離可最大限度地減少相同或不同 PCB 層上相鄰/平行跡線(xiàn)之間的串擾和電磁耦合。一般規則規定走線(xiàn)之間的間隔（在中心到中心之間測量）應大于或等于 3 x 走線(xiàn)寬度。間隔越大，串擾和耦合越低。
走線(xiàn)分離
通常在同一層走線(xiàn)的所有走線(xiàn)都是微帶線(xiàn)。那是放置在地平面頂部的平面傳輸線(xiàn)。它們可以傳輸從直流到高頻的信號。對于在 PCB 的同一層上需要更多并行跡線(xiàn)且間距最小的特定情況，可以使用共面波導 (CPW)。例如，與微帶線(xiàn)相比，接地的 CPW 通過(guò)將接地平面放置在電介質(zhì)材料的底部和同一平面上來(lái)增加電路周?chē)慕拥亓�，確保接地平面在信號傳輸線(xiàn)的兩側連續延伸。它可以最大限度地減少 PCB 不同層上信號走線(xiàn)之間的串擾。
8、過(guò)孔遠離關(guān)鍵信號走線(xiàn)
過(guò)孔在多層 PCB 中用于信號路由。如果設計不當，一些過(guò)孔會(huì )引入寄生電容和電感效應。應避免此類(lèi)過(guò)孔并將其放置在離關(guān)鍵走線(xiàn)盡可能遠的地方。由于過(guò)孔中的寄生電容和電感，過(guò)孔和跡線(xiàn)之間存在阻抗不匹配，從而產(chǎn)生反射。當無(wú)法避免過(guò)孔時(shí)，應確保接地過(guò)孔靠近信號過(guò)孔放置。這種布置減少了特性阻抗值的變化，從而減少了反射。
9、走線(xiàn)附近放置一個(gè)參考平面
更重要的是在走線(xiàn)附近放置一個(gè)參考平面以防止輻射 EMI。這適用于全數字系統和混合信號系統，兩者都應使用參考平面層，并且不應在參考導體不連續或完全沒(méi)有參考導體的區域上布線(xiàn)。
走線(xiàn)附近放置一個(gè)參考平面
PCB 疊層中的阻抗計算器可以計算出接地間隙。然而，高速信號應該在統一的平面上布線(xiàn)，以確保有清晰的返回路徑。
對于阻抗控制系統，提供隔離的正確方法是除了在 PCB 疊層中放置參考層之外，還使用共面布置的接地灌注。通常，該過(guò)程是通過(guò)比較沒(méi)有接地的跡線(xiàn)與同一疊層和層中的共面跡線(xiàn)的阻抗來(lái)查看附近的導體如何改變跡線(xiàn)的阻抗。如果接地點(diǎn)太近，分布寄生電容會(huì )與線(xiàn)路的分布自電容并聯(lián)，因此阻抗會(huì )降低。
10、模擬信號遠離高速信號或者開(kāi)關(guān)信號
承載模擬信號的軌道應遠離高速或開(kāi)關(guān)信號，并應始終受到接地信號的保護。低通濾波器可用于避免模擬軌道周?chē)母哳l噪聲。此外，重要的是模擬和數字子系統的地平面不要共用 。 |
