PCB设计中的电磁干扰管理

确保电磁（EMI）电阻和EMC兼容性是设计PCB时的关键，且在多个应用中遵守标准至关重要。EMI/EMC法规规范电子器件的电磁辐射发射和敏感性，确保它们在预期环境中和谐工作，不干扰其他设备。本文深入探讨通过应对PCB设计师在专业领域中复杂挑战，实现和保持合规的高级策略和考虑因素。

特定情境下的电磁干扰和电磁兼容性问题

EMI指的是电子设备无意中产生的电磁噪声，这种噪声可能干扰附近设备的运行。相反，电磁兼容性（EMC）确保设备运行不受外部电磁噪声影响。

PCB设计师必须考虑各种电磁噪声来源，尤其是在法规严格的领域工作时。噪声可能来自点火系统和电动机（汽车）、雷达系统和通信设备（军用和航空）、高压电力系统和成像设备（医疗）。确保在嘈杂环境中的理想运行对作人员及他人的安全至关重要，因为故障可能导致灾难性损失或安全受损，甚至造成伤害。

区分集总电路和分布电路至关重要，因为设计者在处理集总电路时很少遇到EMI问题。相比之下，分布式电路——即上升时间相对于沿信号线传播时间较短的电路——需要精心规划以缓解典型的EMI问题，如振铃和信号反射。在模拟电路中，区分基于信号波长和电路板材料。仿真对于判断设计中的器件和传输线是否可能遭受EMI影响至关重要。然而，经验法则是，设计师通常可以假设几乎所有现代应用中分布式传输线具有短边上升时间和长度超过几毫米的线路。

回流路径不足是电磁干扰问题的根源

PCB 设计中，诸多干扰问题的根源都在于电流回流路径不足。走线中的电流会感应产生磁场，该磁场会向传输线的上下方辐射；而回流电流始终会沿着电感最低的路径流动。位于电路板表层的走线，其感应磁场会散布在 PCB 周围的空气中，有可能对附近的元件与电路产生噪声干扰。

为缓解这类问题，设计师可设计短距离、低阻抗的电流回流路径。例如，采用带状线结构，将关键的分布参数传输线布设在 PCB 叠层内层的两个合适回流平面之间。无论传输线采用带状线还是微带线结构，走线都必须始终布设在合适的参考平面上方，或靠近回流线，以此将电磁干扰问题降至最低。

这张图展示了磁场在微带线中与带状线传输线中的传播方式。

高频传输线的接地策略

保障分布参数传输线下方的参考平面保持完整，对于抑制电磁干扰同样意义重大。否则，这些走线可能会变成无意的辐射天线，向外发射电噪声。

更重要的是，高频双绞线与总线线路必须始终布设在合适的电流回流路径上方，以防止配对线路或相邻总线线路之间出现串扰。这一点在高频场景中尤为关键 —— 高频状态下，走线周围的回流电流区域会变得更窄。若因某些原因，无法将这类传输线布设在合适的参考平面上方，设计师则必须在总线线路之间布设合适的参考走线，为分布参数线路之间提供充足的回流路径。这种方法虽非最优方案，但能够有效降低相邻走线之间的电磁干扰。

归根结底，设计的核心目标在于：降低分布参数线路与合适回流路径之间的电感，同时提高易受干扰走线之间的电感，避免相互干扰。虽然加宽走线能够降低电感，但将传输线布得更靠近合适的参考平面，对抑制电磁干扰的效果要显著得多。

从这个角度出发，设计师应先划分出电路中的各个子电路模块，再采用紧凑布局，将功能相关的元件集中放置。这样做有助于缩短各元件之间的连接路径，避免传输线因过长而成为分布参数线路。在这种情况下，设计师可将形成的集总参数走线布设在顶层，并使其靠近合适的参考平面，从而减少过孔带来的损耗。

元件选型对电磁干扰的影响

在减少电路中EMI时，元件选择可能不是固有的选择。然而，类似于回路电流在走线中传播，IC引脚上的信号也会通过最低电感路径返回。因此，如果设计师可以在类似器件或封装之间选择，应选择能在封装布局中均匀分布参考引脚的，这样邻近引脚的信号有更大几率返回合适的参考引脚，而不是耦合回其他邻近引脚。

回波引脚不足会影响元件性能和噪声。

子电路布局与隔离接地平面

设计师应依据多种维度划分子电路，例如模拟 / 数字属性、电压等级、工作频率等。在同一子电路组内，元件之间的连线应尽可能缩短，以获得理想的电磁干扰抑制效果。不过，通常情况下，仅在有充分合理的理由时，才建议在这些区域内分割接地平面。若要抑制噪声在不同子电路组之间传播，一般来说，仅分割电源平面就能取得更理想的效果。同理，设计师不应在接地层布设导线，尤其是在传输易受干扰的模拟信号时。此外，仅在低频电路中，才建议使用零欧姆电阻。

相较于在子电路之间分割接地平面，设计师更应优先采用物理隔离的方式，在 PCB 上分隔不同子电路模块。根据经验法则，子电路之间的间距应约为走线与其电流回流路径间距的 20 倍，以确保为所有子电路组的回流电流预留出充足的空间。

过孔对电磁干扰的影响

从电磁干扰的角度来看，仅使用单个过孔，将传输线从参考平面的一侧耦合至另一侧，并不会产生不良影响 —— 因为磁场可通过该过孔耦合至同一平面的另一侧。

若走线需要跨越多层不同的参考平面，设计师则应在信号过孔旁增设一个过孔，用于连接两个参考平面。这样做能够提供一条明确的低阻抗回流路径，从而最大限度地减少磁场扩散与电磁干扰。对于敏感的模拟电路，可能需要在信号过孔周围布设多个参考过孔，形成磁场屏蔽屏障。

这种方案在高密度 PCB 布局中可能不具备可行性。对此，设计师可将同一子电路的多个信号过孔集中排布，并在其周围布设多个参考过孔，以此约束磁场的扩散范围。当信号线路需要从参考平面跨越至电源平面时，通常需要增设电容来抑制低频噪声；而高频噪声的抑制，则可通过在 PCB 叠层设计中，将参考平面与电源平面紧密靠近来实现 —— 理想间距应控制在 8 密耳以内。最后，在高频模拟电路中，使用缝合过孔也有助于抑制电磁干扰。

物理屏蔽的作用

金属外壳包围着一组元件或整个电子设备，将电路的磁场保持在设备内部，并通过法拉第笼保护其免受外部影响。然而，将参考平面连接到机箱并不自动提升电磁干扰的抵抗力，耦合器必须设计得当，避免产生相反效应，加剧电磁干扰问题。

结论

管理电磁干扰（EMI）对PCB设计至关重要。工程师必须关注电流回流路径，利用短且低阻抗的路径，并优化走线路由，特别是针对分布式输电线路。使用条带线、在合适回程上方布置双绞线和母线，以及在PCB上物理隔离子电路等策略，都有助于最大限度地减少电磁干扰。

零件选择会显著影响EMI，而IC封装内参考引脚的布局也会影响信号回波路径。根据模拟/数字、电压和频率方面识别子电路至关重要，且组内连接长度应保持在最小。避免在子电路内分割接地平面，只有在必要时才拆分电源平面以减少噪声。

在跨参考平面耦合传输线时，设计者应使用额外的通孔以形成明确的低阻抗回波路径，并考虑多重参考通孔以应对灵敏的模拟电路。金属外壳如法拉第笼，在器件内储存磁场，但连接参考平面与机箱需要谨慎设计以避免加剧电磁干扰（EMI）问题。

总体而言，设计者应物理隔离子电路，采用正确的接地技术，并优化传输线路由以最大限度减少电磁干扰。此外，战略性零件选择和精心设计的布局考量有助于实现并保持PCB设计中的EMC合规性。