PCB设计中的十大EMC挑战

电路板的层叠结构定义并排列了PCB内部的导电层与绝缘层。这些层的属性定义如下：

• 导电层 (Conductive layers): 数量、顺序、材料和铜厚 (copper weight)。

• 绝缘层 (Non-conductive layers): 数量、顺序、介电材料和厚度 (height)。

    PCB的设计范围可以从基础的单层板，到非常复杂的多层系统。由于对高频信号和元器件小型化的需求日益增长，当今大多数PCB都采用4层或更多层的设计。

    对这些层进行合理的排布，可以为PCB的EMC（电磁兼容性）和信号完整性性能带来诸多益处。这使得层叠结构设计成为新PCB设计中最关键的决策之一。

    精心规划层叠结构——包括合理的层序、接地和屏蔽——可以最大限度地减少串扰和阻抗失配。在PCB设计周期的后期修改层叠结构，会非常困难且耗时。因此，在设计的早期阶段就确定一个稳健的PCB层叠结构方案，可以为您节省大量的时间和精力。

    PCB走线天然就具有一定的电阻、电感和电容。这种并非设计所需的、意外形成的阻抗，就是所谓的寄生阻抗。将这种有害阻抗降至最低，对于保证信号完整性（Signal Integrity）和电磁兼容性（EMC）而言至关重要。

    在您的PCB设计中，可以通过采用短而宽的元器件间走线来减小寄生阻抗。此外，合理的元器件布局也起着关键作用。

    所有电流都会从源端流出并返回源端，形成一个完整的电路回路。回流电流总是会选择阻抗最低的路径。在低频时，这条路径由最低的电阻决定；而在中高频时，回流电流则会沿着电感最小的路径流动。

    为了避免不必要的电磁辐射和耦合，回流路径需要尽可能地短。这可以通过遵循以下基本准则来实现：

    “地”（Ground）为电信号提供了一个稳定的参考点。如果通过很长的走线或质量不佳的铜平面连接到地，就会直接引入非预期的寄生效应。

    为电流提供一条短的回地路径，可以确保实现低阻抗的回流路径。这也能最大限度地减少形成“地环路”（Ground loops）的可能性，而地环路会产生辐射发射（radiated emissions），并恶化信号完整性（Signal Integrity）和电磁兼容性（EMC）。

    参考平面（Reference planes）是指大面积的铜箔区域，它们的作用是为接地电流提供回流路径，并为高频信号提供参考基准。参考平面是传输线设计所必需的，并且是一种控制电磁辐射的高效且经济的解决方案。

    我们经常看到PCB的不同层上都铺有大面积的铜箔区域。然而，这些铜箔区域的阻抗并非为零，因此它们会引入电感、电容和电阻。为了最大限度地减小这种非理想阻抗的影响，回流路径在电气意义上必须尽可能短。这也意味着，在设计不同PCB层上的地平面之间的连接时，也必须确保其低阻抗特性。

    可以通过使用缝合过孔来实现（参考）平面间的低阻抗。通过沿着参考平面均匀地布设过孔，可以大幅降低它们之间的阻抗，进而减少寄生效应。

    这项技术最大的优点在于，它并不会增加PCB的成本或制造复杂性。

    将长走线彼此靠得太近，会对信号完整性（Signal Integrity）和电磁兼容性（EMC）产生负面影响。由一条走线产生的电磁场会与相邻走线相互作用，从而导致不必要的信号耦合。这种现象就是所谓的串扰。

为了减少串扰：

• 增加相邻走线之间的距离。

• 减小走线与参考平面之间的距离。

• 在信号层之间增加地平面以约束电磁场（起到屏蔽作用）。

    虽然第一种方法易于实现，但它可能会增大电路板的尺寸。而第二种方法则可能对PCB的其他方面产生显著影响，例如制造工艺或高速走线的阻抗控制。

处理串扰的其他技术还包括：避免走线长时间平行布设、将元器件放置在远离I/O（输入/输出）互连接口的位置，以及将高噪声发射源隔离到板叠（stack-up）的不同层中。

    传输高速数字信号的走线会产生高强度的交变场。如果这些走线距离一个没有屏蔽的电路板边缘太近，这些场就可能会逸出电路板，从而产生非预期的辐射发射（radiated emissions）。

假设电路板有一个完整的参考平面，请遵循以下准则来减少非预期的辐射：

• 将走线向电路板内部移动。
  

• 在整个电路板周围增加一圈过孔栅栏（via fence）以进行屏蔽。
  

    差分对（Differential pairs）是一种特殊的传输线，其两条信号线以平行方式布线。为避免信号反射，差分对布线时需要保持恒定的阻抗；为避免信号偏斜（signal skew），则需要保持等长。

为了有效控制差分阻抗：

• 通过合理选择介电层（dielectric）的厚度及其特性来控制电路板的叠层结构（stackup）。
  

• 在差分对附近放置完整的地平面。
  

    只有当参考（地）平面位于信号线的下方时，用于计算传输线阻抗的公式才是有效的。如果缺少地平面或地平面上存在间隙（gap），将会导致阻抗不匹配，从而产生信号损耗和反射。