PCB Layout对电子产品EMC性能的影响

PCB 接地

• 公共代码干扰对PCB内部信号的影响

印刷电路板 (PCB) 内部印刷线路具有相对于参考接地板的寄生参数，当功能信号在 PCB 内部传输时，电路中同一网络中的同一等电位节点不再等电位。 PCB内部的电流i从源端开始，经过一系列载流子返回信号源，形成一个信号。更重要的是，我倾向于沿着低阻抗的路径流动，因此我通常保持不变，阻抗的稳定性。

图 1 显示了 PCB 内部将共模干扰转化为差模干扰的过程。 id 是指 PCB 内部流动的差模电流，而 icom 是指从 PCB 外部开始并通过参考接地板流入 PCB 或从 PCB 内部开始并通过参考接地板返回 PCB 内部的共模电流。高频icom有两条路径：第一是从GND开始从PCB内部的A点到B点；第二种是从A点到B点，从端口S1开始，通过电容C到PCB内部。接地阻抗ZAB导致ΔuAB的产生，所以当正常信号通过IC2时，信号会发生变形，共模干扰为根据u2=u1-ΔuAB的公式转化为差模干涉，对正常信号产生影响。

因此，一旦icom通过I/O口或空间辐射进入PCB内部，PCB信号线上的差模滤波电容只能将干扰旁路压到GND。该结果的前提是信号回流时将GND视为低阻抗，电流始终流向低阻抗方向。

• EMC设计实现的关键：PCB中的接地阻抗

高频信号产生EMC的原因在于信号参考电平GND未能保持其低阻抗特性。随着参考电平阻抗ZGND的增加，信号传输质量也随之下降。为了解决高频干扰问题，EMC设计中常用的方法有滤波器、地、屏蔽等与“地”紧密相连。

滤波器可以看成是对地电容，有两种结构，一种是使X电容连接到信号参考地，另一种是使信号通过Y电容或PCB内部的不同地连接到金属外壳。屏蔽可以看作是PCB地向空间扩展的结果。滤波或屏蔽的目的是使高频共模干扰通过低阻抗旁路，避免流入正常工作信号。同样，除非地阻抗低，否则所有这些方法都行不通。

图 2 显示了接地阻抗对电路滤波器的影响。 icom按照IC1→IC2→IC1的顺序流动，当它流到P点时，icom会流入IC1和C1的支路，从A点流到B点。如果A点和B点之间的阻抗，那为ZAB，远小于P点与IC1之间的阻抗。此时icom从P点流向A点，即可实现IC1滤波。当 icom 流向 B 点时，会出现 B→C 和 B→Q 的分支电路。如果PCB layout控制不好，B点和C点之间的阻抗，即ZBC，ZBC>>ZC2+ZQ。 ZQ 指的是 Q 点和 IC2 之间的阻抗。当原本只供IC2使用的电容起到信号侵入干扰作用时，icom通过C2回流到IC2输入端口。

为了制作具有低阻抗的参考电平，通常将其设计为一个表面。一般来说，在工程领域中，长宽比小于5的导体可以认为是低阻抗的。印刷线路的阻抗不是由它的长度或粗细程度决定的。在传统的PCB设计原则中，大量推荐模拟电路单点接地，因此数字电路多点接地和数字模块电路混合接地的PCB布局原则已不再适用于处理EMC问题。

由于必须确保所有信号的所有回流都具有低阻抗的集成接地，因此具有集成接地层的 4 层或多层板能够满足要求，而低成本的单板则不能。当基于成本的限制必须使用双层板时，应为PCB内部的信号设计一个相对集成的接地层。在实际应用中，PCB接地阻抗既受其形状的影响，也受信号线过孔、裂纹和开槽的影响。图 3a 和 3b 分别展示了糟糕和优秀的低阻抗接地平面设计。

在此图中，所有组件都位于 PCB 的正面，而接地层位于背面。芯片通过正面的印刷线ab连接，cd是背面的印刷线。在外界高频共模干扰的压力下，cd形成的开槽会导致印制线路回流的ZGND增大。 ZGND在信号传输过程中波动，导致信号质量低。因此，在PCB布局设计过程中，cd之间的印刷线层可以通过孔反复交换，从而降低ZGND。此外，还可以将两个信号敏感的ICS放在一起，使GND在局部成为一个相对集成的地平面，保证信号在信号传输过程中不受干扰。注意通孔不能密集布置，否则也会造成地平面开裂，导致ZGND升高。

PCB的堆叠设计

EMC 设计最适合 4 层 PCB。从EMS的角度来看，局部敏感电路的金属外壳或金属外壳屏蔽都能够解决干扰问题。从 EMI 的角度来看，有时 4 层板无法满足辐射发射限制的要求，应增加层数，因为多层板可以使具有高 du/dt 和 di/dt 的信号在过程中确保较小的信号环路面积传输，为高速信号提供低阻抗回流。

PCB堆叠设计的基本原则是将高速信号层和电源层与接地层相邻布置。图 4 显示了 4 层和 6 层板的堆叠设计。图 4a 中的 S1 指的是高速信号层，而图 4b、4c 和 4d 是三个普通的 6 层 PCB 设计。

3个6层PCB设计中，设计b最差，S2层应该是高速信号层。设计c和d中的S2层是高速信号层。设计 c 是最好的，因为每个信号层都紧邻接地层，以确保最短的信号回流路径，并且 S2 和 P 层被 GND1 和 GND2 屏蔽。与设计c相比，设计d中的S3距离GND层较远，P只能达到单边效应，不能达到设计c引起的双边效应。

PCB 中的等效天线

天线的基本功能是发射和接收无线电波。在辐射过程中，高频电流可以转化为电磁波；在接收过程中，电磁波转化为高频电流。 EMC场中的辐射主要是指远场辐射。天线的形成取决于两个基本条件：射频信号源和与射频信号源相连的一定长度的导体。在工程领域，认为当导体的长度符合公式l=λ/20时，天线效应就会出现。当l=(λ/4)n时，天线效应最大，n为自然数。

当信号在 PCB 内部传输时，内环与环形天线具有相同的效果。环路面积越大，天线效应越大。严格的PCB环路控制可以有效阻止差模干扰，在实践中是可行的。但增加印制线长度会造成明显的杆状天线效应，因此在PCB布局过程中应尽量减少互连信号的长度。

当在PCB内部传输的高du/dt信号的回流路径上出现相对较高的ZGND时，共模驱动源ucom将发生，icom流过ZGND，连同连接的印刷线或I/O稳定器，可以向外辐射。

如果PCB尺寸比较小，由于长度的限制，内部印制线达不到天线辐射要求。在这种情况下，I/O电缆可以看作是印刷线路的扩展，可以满足辐射要求。即使没有直接连接到 I/O 稳定器，也应停止 I/O 电缆之间的串扰耦合。

PCB内部的串扰及其解决方法

• PCB 印刷线与参考地之间的耦合

由于EMC主要讨论的是高频共模信号，PCB内外分布参数都无法回避。 PCB和参考地之间发生电容耦合，其分布电容由最小空间内的板电容和自然电容组成。板电容与PCB的尺寸成正比，与PCB与地的距离成反比。最小空间内的自然电容与 PCB 内印刷线路的等效直径成正比。因此，无论 PCB 放置在何处，即使距离地极远，内部印刷线与地之间始终存在分布电容。在 PCB 中，相对集成的 GND 平面到参考接地板的分布电容约为 10pF，内部印刷线路到参考接地板的分布电容大约在 0.001pF 到 0.1pF 或更低的范围内。 PCB中心印制线的分布电容远低于PCB边缘印制线的分布电容。

• PCB 内部的耦合

一个。 PCB内部耦合原理及其对信号的影响

PCB内部的耦合包括电容耦合和电感耦合，其原理如图5所示。

在该图中，AB 和 CD 都是平行印刷线，两条线之间的间距很小。 Z0指信号线1的载波，Z1和Z2分别指信号线2的载波。在图5a中，当印刷线AB上的信号峰值电压为u时，信号上升时间为Δt，角频率为ω ，Z2的电压为uv=[Z1Z2/(Z1+Z2)]cΔu/Δt。虽然 c 的值很低，但 Δu/dt 的值可能很高，它们的乘积是不可避免的。在图 5b 中，当 AB 上的信号峰值电流为 Ic，信号上升时间为 Δt，角频率为 ω 时，2 条印刷线之间的互感 m 将通过 CD，其上的感应电压为 uv=mωic。虽然 m 的值很小，但信号频率可能会增加。因此，他们的产品是不可避免的。

因此，电容耦合和电感耦合都与两条印刷线的分布参数c或m有关。在 PCB 布局期间，可以通过增加平行线之间的距离来减小 c 和 m 的值。在实际电路中，电容耦合占数字电路的大部分，当PCB平面不光滑或存在开槽或裂纹时，电感串扰比电容串扰的影响更大。但是，在PCB面积有限的情况下，仅靠加大平行线间距是无法解决串扰的。为了使相邻两条平行线之间的分布参数保持最小，在投影区域内应进行一体化平面设计，并最好在顶部和底部设置接地层。

湾。屏蔽地线对降低串扰的影响

串扰的程度由信号频率、信号上升沿时间、信号线间距、驱动端口和接收端口的电气特性、PCB层数等诸多因素决定。可以通过在印刷线下方设置集成地平面来减少串扰，并且可以在信号之间添加屏蔽地线。

在 PCB 布局过程中，有两个方面可以有利于阻止串扰。首先，应停止敏感的内电路和外电路。其次，应阻止内部电路或噪声电路与其他信号之间的串扰。在实际的PCB布局中，应在PCB的同一层或不同层之间进行详细的测试，以检测是否存在串扰风险。

在PCB layout的过程中，一些属性相同的信号线要走同一时间、同一方向、密度相同的布线。如果PCB空间的限制导致滤波器元件不能放在同一条线上，容易引起信号间的串扰。这种情况如下图6所示。

C。屏蔽地线对边缘效应的影响

当高度敏感的信号线或具有高du/dt、di/dt的信号线沿PCB边缘布置时，它们将比布置在PCB中心的那些承受更大的EMC风险。较大的寄生电容更容易使边缘信号线接收高频干扰或外辐射。

在PCB面积的限制下，按照设计文件中的20H原则布局PCB难度极大。 “包”可用于减少干扰和外辐射。分组线不需要满足特定的要求，例如厚度和形状。通常当信号线距离PCB边缘太近而无法镀铜时，可以添加7到10mils范围内的地线作为屏蔽。

d。数字电路与模拟电路相互干扰

当一块PCB板容纳高速数字电路和低电平模拟信号时，在不良PCB布局下，数字噪声通常会对模拟信号产生串扰。数字和模拟电路之间的相互干扰是由以下原因引起的。首先，串扰噪声是由寄生电容和寄生电感引起的。其次，电源纹波与数字芯片电源解耦不良会导致电源噪声。第三，接地阻抗和系统接地位置会引起噪声。噪声问题应按电源、信号、地的顺序处理。

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