克服 PCB 电磁问题

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为什么避免电磁干扰很重要 |预防和解决电磁问题的 EMC 设计原则 | 1. 地平面 | 2. 走线布局 | 3. 元件排列 | 4. EMI 屏蔽 | Millennium Circuits Limited 的 EMC 设计 |

电磁问题一直困扰着 PCB 设计人员。系统设计工程师必须始终监控电磁兼容性和干扰。不幸的是，即使是很小的设计问题也会导致电磁问题。这些问题比以往任何时候都更加普遍，随着电路板设计的缩小和客户要求更高的速度。

发挥作用的两个主要问题是电磁兼容性和电磁干扰。

电磁兼容性或 EMC 涉及电磁能的产生、传播和接收，通常是通过不良设计。电磁干扰或 EMI 是指 EMC 的有害和破坏性影响，以及来自环境源的电磁干扰。过多的 EMI 会导致产品出现缺陷或损坏。任何 PCB 设计人员都应遵循 EMC 设计规则，以尽量减少 EMI 的数量和影响。

幸运的是，适当的 EMC 设计可以降低电路板中的 EMI。

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为什么避免电磁干扰很重要

电磁干扰源无处不在，我们可以从以下几个方面进行分类：

• 来源： 人为 EMI 源于电子电路。另一方面，自然发生的 EMI 可能是由宇宙噪声和闪电等环境因素引起的。

• 持续时间： 连续干扰是一种发射恒定信号的 EMI 源，该信号通常表现为背景噪声。脉冲干扰是间歇性的，通常由开关系统、闪电和其他非恒定源引起。

• 带宽： 无线电使用的窄带信号可能会遇到振荡器和发射机的干扰，尽管这些干扰源只会间歇性地影响频谱的某些部分。宽带干扰会影响电视等高数据信号，并且可能来自多种来源，包括弧焊机和太阳噪声。

无论是人为的还是环境的，EMI 既昂贵又危险。它会破坏通信渠道和敏感设备。 EMI 是医疗领域的一个值得注意的问题，其中无线设备的使用正在上升。不幸的是，EMI 会影响医疗设备的功能，例如呼吸机、ECG 监护仪、心脏监护仪和除颤器。在其他行业，EMI 会破坏传感器和导航系统。在所有情况下，结果都是设备受到干扰，可能对其用户的健康和安全负责。

然而，最常见的 EMI 来源——也是设计师最有问题的来源——是内部的。不良的 PCB 设计会导致电路板上的不兼容信号相互干扰。这种干扰最终会导致电路板出现故障。设计人员必须确保将干扰保持在最低限度，并且释放的任何信号都兼容，以免造成干扰。

预防和解决电磁问题的 EMC 设计原则

电路板设计人员必须遵循电磁兼容性设计原则，以将 EMI 降至最低。 EMC 问题的基本原因相当普遍，主要与设计缺陷有关，这些缺陷会导致走线、电路、过孔、PCB 线圈和其他元件之间产生干扰。

这些基本设计原则可以帮助预防和解决印刷电路板设计中的这些电磁问题。

1。地平面

设计 PCB 的接地层是最重要的一步，对于降低 EMI 至关重要。接地层是您抵御 EMI 的第一道防线，因为所有电路都需要接地才能工作。降低 EMI 的接地设计的一些常见最佳实践包括：

• 最大化地面面积： 尽可能增加 PCB 内的接地面积。信号可以通过更大的面积更容易地分散，从而减少发射、串扰和噪声。如果接地层太小，您可以添加另一层并创建多层 PCB。该设计解决方案为处理高速走线提供了更多选择。

• 使用实体平面： 尤其是在多层 PCB 中，实心接地层是一个理想的选择。偷铜和散列接地层通常会导致更高的阻抗水平。另一方面，实心接地层提供了较低的层次。

• 连接各个组件： 将每个部分连接到接地平面或点。地平面充当电路板设计的中和剂，而浮动组件并未充分利用这一点。

• 小心分割平面： 高度复杂的 PCB 设计通常包括许多稳压电压，每个稳压电压都应有自己的接地层。然而，太多的接地层会增加制造成本。这个问题通常通过使用分割平面来规避，分割平面在单层上创建多个接地部分。但是，设计人员应始终谨慎使用拆分平面。确保您有充分的理由使用拆分平面，如果使用拆分平面，请确保它们仅在一个点连接。分离式接地 PCB 中的多个接地连接会形成环路，从而导致天线辐射 EMI。

• 连接旁路或去耦电容： 如果设计包括旁路或去耦电容，请将它们连接到接地层。此行为通过减小环路的大小来帮助减少返回电流。

• 最小化信号长度： 走线的长度很重要，因为信号往返源的时间量必须兼容。否则，它会辐射 EMI。保持走线长度尽可能短且长度大致相等。

2。走线布局

走线对于电路板设计尤为重要。正确使用跟踪可确保正确传播电流。但是，如果走线没有按照顶级EMC设计规则排列，就会出现很多问题。

迹线本质上是在电路处于活动状态时包含流动电子的导电路径。因此，这些迹线距离创建辐射天线只有一个错误。简单的弯曲或交叉都会导致 PCB 电磁干扰。

PCB设计中走线布局的一些最佳规则包括：

• 避免直角： 过孔、走线和其他部分避免 45 度到 90 度的角度。当走线达到超过 45 度的角度时，电容会增加。结果，特性阻抗发生变化，导致反射。这种反射会导致 EMI。您可以通过修整需要转角的走线或通过两个或多个 45 度或更小的角度对它们进行布线来避免此问题。

• 将信号分开： 将高速迹线与低速信号分开，将模拟信号与数字信号分开。近距离可能会造成干扰。

• 缩短返回路径： 使返回电流路径尽可能短，并沿着电阻最小的路径布线。返回路径的长度应与传输走线的长度大致相同或更短。

• 思维间隔： 两条并行运行的高速信号通过串扰产生 EMI，其中一条迹线是“攻击者”，另一条是“受害者”。入侵者通过电感和电容耦合影响受害迹线，在受害迹线中产生正向和反向电流。您可以通过保持走线之间的最小间距来最小化串扰。通常，将走线分开两倍的走线宽度。例如，如果走线宽度为千分之五英寸，则两条平行走线之间的最小距离应保持在千分之十英寸或以上。

• 谨慎使用过孔： 过孔在 PCB 设计中是必要的，因为它们可以让您在布线时利用电路板中的多个层。但是，设计人员在使用它们时必须小心。通孔将其自身的电感和电容效应添加到混合物中，由于特性阻抗的变化可能导致反射。过孔也会增加走线长度，这需要匹配。尽可能避免使用过孔作为差分走线。但是，如果这是不可能的，请在两条跟踪中使用它们来补偿延迟。

3。元件排列

电子元件是电子电路的组成部分。但是，不正确地安排它们会导致几个 EMI 问题。设计 PCB 时，请注意每个部件的 EMI 影响。 PCB设计中组件布局的一些最佳实践包括：

• 模拟和数字部分分开： 与走线一样，始终将模拟和数字电路和组件分开。将模拟电路和数字电路放置得很近可能会导致串扰等问题。为避免这种情况，请使用屏蔽、多层和单独的接地，使模拟和数字信号尽可能远离彼此。一般来说，最好将模拟信号和数字信号完全分开。

• 将模拟和高速片段分开： 模拟电路承载大电流，这可能会导致高速走线和开关信号出现问题。使它们彼此远离，并用接地信号保护模拟电路。在多层 PCB 上，布线模拟走线，以便在模拟电路和开关或高速信号之间存在接地层。

• 小心高速组件： 组件越快越小，它可能产生的 EMI 量就越大。您可以通过屏蔽和过滤来对抗这种自然的 EMI，尽管在电路板设计中将这些组件与其他组件分开也是一个好主意。另一个要采取的措施是保持高速信号和时钟尽可能短，并与接地层相邻。这些措施有助于将串扰、噪音和辐射水平控制在可接受的水平范围内。

4。 EMI 屏蔽

无论您遵循何种设计规则，某些组件都会产生 EMI，尤其是小型高速部件。幸运的是，屏蔽和滤波可以将这种 EMI 的影响降至最低。一些屏蔽和过滤选项包括：

• 元件和电路板屏蔽： 物理屏蔽是封装全部或部分电路板的金属封装。他们的目标是防止 EMI 进入电路板的电路，尽管具体方法因 EMI 的来源而异。对于来自系统内部的 EMI，组件屏蔽可用于封装产生 EMI 的特定组件，从而连接到地，减小天线环路尺寸并吸收 EMI。其他屏蔽可能会包裹整个电路板，以防止来自外部来源的 EMI。例如，法拉第笼是一种厚厚的保护外壳，旨在阻挡射频波。这些设备通常由金属或导电泡沫制成。

• 低通滤波： 有时，PCB 可以包括低通滤波器，以消除组件中的高频噪声。这些滤波器抑制来自这些部分的噪声，使电流在返回路径上继续而不受干扰。

• 电缆屏蔽： 承载模拟和数字电流的电缆会产生最多的 EMI 问题。它们通过产生寄生电容和电感来产生这些问题——这是高频信号的一个特殊问题。幸运的是，屏蔽这些电缆并将它们前后接地有助于消除 EMI 干扰。

Millennium Circuits Limited 的 EMC 设计

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