降低 EMI 的最佳 PCB設計指南

2021-08-26

降低 EMI 的最佳 PCB設計指南

電磁干擾的成分

我們從物理學(xué)中知道，自然界有四種基本力。它們是強核力（結合中子和質(zhì)子）、弱核力（允許放射性衰變）、重力（賦予物體重量或拉向更大的吸引物體）和電磁力（這是磁引力）帶電粒子之間）。在許多情況下，這種具有電和磁特性的吸引力是有利的。例如，磁性元件用于促進(jìn)電機中轉子周?chē)亩ㄗ舆\動(dòng)。然而，在其他情況下，這種自然產(chǎn)生的力可能會(huì )對所需的電路操作造成嚴重問(wèn)題。

所有電子電路板都旨在允許甚至加強電子流以實(shí)現某些性能目標。這個(gè)動(dòng)作——電流通過(guò)閉合路徑——產(chǎn)生一個(gè)向外投射并垂直于電流流動(dòng)的磁場(chǎng)。當該場(chǎng)內有附近的電子元件或信號路徑時(shí)，就會(huì )發(fā)生電磁干擾(EMI)。對于許多 PCBA設計，尤其是高速電路板，控制 EMI 量是必須充分管理的首要考慮因素。對于帶有散熱器分類(lèi)組件的電路板，常見(jiàn)的方法是實(shí)施EMI 濾波器設計. 盡管濾波器是有效的，但作為電路板設計師，了解用于降低 EMI 的其他 PCB 設計指南是您可能必須經(jīng)常使用的工具。 

EMC 和 EMI：有什么區別？

大多數 PCBA 并不是產(chǎn)品中唯一的電子或電氣設備。因此，在我們深入研究單板EMI 問(wèn)題之前，對EMI 問(wèn)題有一個(gè)宏觀(guān)或系統級的了解是有幫助的。正如電磁能從單個(gè)組件、導體或跡線(xiàn)發(fā)出一樣，它也會(huì )從電路板本身輻射到環(huán)境中；如果您以前沒(méi)有，請將高斯計放在 PCB 附近，您將獲得讀數。當多個(gè)板靠近時(shí)，實(shí)現電磁兼容性或 EMC就變得很重要。 

EMC 可以被認為是在電磁元件之間實(shí)現可接受的和諧或平衡，以便干擾量最小或至少足夠低，不會(huì )顯著(zhù)妨礙正常操作。不幸的是，消除所有 EMI 尚不可能；但是，獲得 EMC是。EMI 實(shí)際上是來(lái)自電磁源的任何干擾，通常是指單個(gè) PCBA 上的干擾。這種分類(lèi)足以調查問(wèn)題，因為最小化電路板上和來(lái)自電路板的 EMI 有助于電路板工作環(huán)境的 EMC。

PCB EMI來(lái)自哪里？

電磁跨越無(wú)限的頻率范圍，幾乎無(wú)處不在。而且，如下圖所示，它是由我們日常使用的許多工具、設備和產(chǎn)品產(chǎn)生的。 

電磁頻譜

只要有電流，就會(huì )存在 EMI 的可能性。對于 PCBA，EMI 的來(lái)源可分為以下幾類(lèi)之一：

成分

電子元件和元件——尤其是處理器、FPGA、放大器、發(fā)射器、天線(xiàn)等高功率設備——可能對 EMI 產(chǎn)生重大影響。此外，開(kāi)關(guān)組件會(huì )產(chǎn)生具有破壞性的干擾。 

信號和軌跡

EMI 也可以沿著(zhù)走線(xiàn)或在引腳和連接器點(diǎn)產(chǎn)生。例如，不平衡的差分對路由可能會(huì )導致信號衰減和沿傳輸路徑的反射，這可能會(huì )嚴重影響信號完整性或準確識別信號的能力，從而導致錯誤的電路行為。此外，由于雜散電容，可能會(huì )在信號路徑和接地層之間形成不需要的耦合。 

外部來(lái)源

如果電路板太靠近輻射源（可能是另一個(gè)電路板或元件），EMI 可能會(huì )引入到您的 PCBA 上。其他設備或設備在電路板環(huán)境中的振動(dòng)或移動(dòng)也可能產(chǎn)生諧波。

顯然，消除所有潛在的 EMI 來(lái)源是一項艱巨的任務(wù)。幸運的是，可以制定降低 EMI 的 PCB設計指南，以幫助最大限度地降低噪聲和實(shí)現 EMC。 

降低 EMI 的最佳 PCB設計指南

了解可能影響您的電路板的 EMI 來(lái)源對于制定策略以減輕這種對 PCBA 性能始終存在的威脅至關(guān)重要。此外，從源的角度來(lái)看 EMI，其中最小化方法針對特定的源，可以成為設計一套降低 EMI 的 PCB設計指南的良好有利位置。

降低組件的 EMI

如前所述，組件可能是 EM 輻射的主要來(lái)源，不僅會(huì )影響板載操作，還會(huì )破壞外部 PCBA 和電子電路。因此，定義減輕其負面影響的行動(dòng)（如下所列）對于良好的 EMI 降低指南至關(guān)重要。

如何降低組件的 EMI 

盡可能選擇低功耗部件

電路板上最大的 EMI 發(fā)生器之一是需要大量功率的部件。隨著(zhù)降低功耗的推動(dòng)，通?？梢哉业讲粫?huì )犧牲功能或質(zhì)量的替代方案。

隔離不同類(lèi)型的組件

一個(gè)好的設計實(shí)踐是始終將處理相同類(lèi)型信號的組件放在一起。例如，數字組件應該靠近其他數字部件并與模擬設備隔離。

利用 PCB圍欄

另一種減輕 EMI 的工具是將元件或子電路封閉在圍欄內；如PCB保護環(huán)和法拉第籠。這些也可以有效減少輻射到電路板周?chē)沫h(huán)境中。

采用散熱技術(shù)

對于電子元件，能量會(huì )產(chǎn)生熱量。因此，高效的散熱器和通孔可以極大地幫助降低 EMI。

除了減輕組件的 EMI 之外，走線(xiàn)的運行方式也會(huì )極大地影響電路板的 EMI。 

用于最小化 EMI 的 PCB布局設計

布置電路板時(shí)最重要的考慮因素之一是間距。這包括確保導電元件之間的間隙和爬電距離足夠。 

保持足夠的間隙對于最大限度地減少 EMI 至關(guān)重要

對于多層板，導電層和接地層之間的順序和距離也很重要，如下表所示。

如何減少來(lái)自信號和平面的 EMI 在信號走線(xiàn)之間留出足夠的間隙 降低走線(xiàn)之間 EMI 的最重要因素是間距或間隙。遵循您的 CM 的建議，這些建議應該基于 IPC 標準。 確保去耦和旁路電容接地 雜散電容難以避免；然而，它的影響可以通過(guò)將電容器盡可能靠近引腳接地來(lái)減輕。 使用良好的 EMI 過(guò)濾 大多數設計，尤其是在使用數字信號的地方，都包含會(huì )產(chǎn)生信號失真的開(kāi)關(guān)設備。在這些情況下，提高信號保真度的最佳方法是濾波。 最小化返回路徑的長(cháng)度 接地回路應盡可能短。 確保差分走線(xiàn)相同 對于差分信號路徑，走線(xiàn)對必須相互鏡像。這包括走線(xiàn)長(cháng)度、銅重量和恒定間隔。如有必要，應使用曲折來(lái)保持長(cháng)度和間隔。 避免銳角 布線(xiàn)時(shí)，請使用圓角邊緣而不是尖角，這可能會(huì )由于特性阻抗修改而導致反射。 不要將導電層彼此相鄰放置 您永遠不應該在 PCB疊層中將兩個(gè)導電層并排放置。最好通過(guò)地平面將它們分開(kāi)。 小心分離地平面 最好為不同的信號類(lèi)型使用單獨的接地。但是，如果您確實(shí)使用分割地平面，請確保使用單個(gè)點(diǎn)來(lái)組合地面。

您的 PCB布局（包括其疊層）對于促進(jìn)良好的信號完整性和降低 EMI非常重要。然而，如果不解決外部 EMI，任何一套降低 EMI 的 PCB設計指南都是不完整的。

避免外部 EMI

最大限度地減少外部 EMI 對電路板上的信號完整性和電路操作以及 PCBA 安裝環(huán)境的 EMC 非常重要?？梢圆扇〉男袆?dòng)包括以下內容。 

如何減少來(lái)自外部來(lái)源的 EMI  使用屏蔽 通常，屏蔽應用于特定組件或子電路。它們與圍欄的不同之處在于它們通常由絕緣材料制成，并放置在零件的頂部或完全包圍它們。 使用外殼 外殼通常被視為安全裝置。然而，外殼也可以有效地保護電路板免受來(lái)自外部來(lái)源的碎片和 EMI 的影響。

上面針對組件、布局和外部源討論的所有 PCB設計指南都可以有效地將電路板上的 EMI 降至最低，并有助于電路板操作環(huán)境的 EMC。但是，這些是否必要取決于您的設計、其功能和性能目標。因此，您應該努力優(yōu)化您的設計以減少 EMI，最好使用分析工具（例如 Cadence 的 PSpice）來(lái)完成。