EMI问题的PCB设计考虑及接地屏蔽滤波分享

《开关电源电磁兼容分析与设计》4月份出版后，让我看到了大家的热情和满满的雅赞！大家反馈看到的都是干货的内容，有拿到书的朋友们先把我讲解的5个视频对你们感兴趣的部分先抽时间看一下，让我们一起引起共鸣。视频的主要内容如下图所示：

PCB的设计在产品可靠性设计方面是非常重要的。对于PCB设计在EMI方面的问题考虑：设计工程师通常都非常注意PCB上信号走线的布线，但经常却没有考虑他们的返回路径。理解和解决EMI问题的关键是理解电流的流动。电流以环路的形式流动，因此，许多数字电路设计工程师容易忘了这个重要的事实。因为，大多数原理图的检查表明，一半的原理图都忘了地或信号和电源的返回系统。因此就容易忽略了所有的电源和信号的返回路径，这些信号的布线都是电路板布线人员一时的疏忽才会导致的显著EMI问题。

通过理解返回电流是如何返回其电源及如何确保返回路径为低阻抗，就可以很好地解决产品中的EMI问题。

首先，考虑高频电流是怎样流动的。在低频时，返回电流通常沿着电阻最小的路径流动。在高频时，返回电流通常沿着阻抗最小的路径流动。如下图所示。出现这种现象的原因是：在较高频率时，当信号或电源导线或PCB走线及与之相关的返回路径－另外一条导线或返回平面的物理尺寸最小时，其路径的自感最小。由于这种现象，产生的结果是信号或电源导线中的电流和返回电流通常会使流出电流和输入电流之间的物理空间最小。如果迫使返回路径形成了较大的环路面积，这种环路的作用类似于天线，将会产生辐射发射。

不同频率信号的返回电流路径示意图

当频率大于1MHz时，返回电流通常在信号PCB走线下方或者上方的信号返回平面上直接流动。这取决于信号PCB电路板的层结构。如果迫使返回路径距信号走线的下面有较长的路径，那么环路的物理尺寸将变得非常大，通常会产生环天线的辐射发射，同时也将产生共模电压源。这些电压源会在PCB的周围且通常沿着I／O电缆或电源电缆产生共模电流，这些电缆就会像单极子天线或偶极子天线一样产生辐射发射。

在实际的应用中，常常会发现电子工程师为其产品设计的PCB信号和电源返回平面上存在被疏忽的间隙和分割。这样就会带来更大的返回电流路径，如下图所示。

电流被PCB强行改变路径的示意图

返回电流被强行改变路径及所产生的环绕PCB的磁场。当迫使返回电流远离阻抗最小的优先路径时，会形成环天线，如上图所示。这就会在整个电路板附近产生磁场，这些磁场也能与其他PCB走线产生耦合，从而有效地形成小的电压源，电压源又在电路板附近产生共模电流。这些共模电流然后耦合给I／O电缆或电源电缆，他们会辐射基波信号的高频谐波。

返回平面的互感产生小的电压降ΔU＝L·（di／dt），这种电压降会产生共模电流。信号电流环路和附近的另外一个电路环路之间的互感也将会产生电压差，这种电压差可在附近的电路中产生电流。

当进行PCB布线时，产生EMI的另外一个常见问题是改变参考平面层，没有为返回电流的信号PCB走线规定闭合的物理路径。比如，如果信号PCB走线在参考返回平面的顶部开始布线，穿过过孔，继续参考到这个相同的返回平面，这是没有问题的是可以接受的，如下图所示。

数字信号参考相同的参考面返回电流

如果出现这样的情况，一条PCB走线从PCB板子上的一层（参考到信号返回平面）开始，穿过过孔后到达另外一层（其使用不同的参考面）如下图所示。如果这两个参考平面（即信号返回的路径）的电位相同，且两层通过过孔多次连接在一起，那么规定的返回路径将具有小的环路面积。这是我们希望的设计。

信号穿过两层地线层及处理方法

信号在两层之间换层的处理方法示意图

在如上面的图示中，过孔的作用当数字信号参考到两个不同的平面时，在信号PCB走线的穿过点，如果两个平面的电位相同，则两个层之间应使用一个或多个过孔。如果两个平面的电位不同，那么应尽可能使用两个或多个缝合电容在信号的穿过点将这两个平面相连接，优先采用对称的方式。

然而，如果两个参考平面具有不同的电位；比如信号返回平面和电源平面，那么返回路径可能会规划设计的不好，从而形成了具有较大环路面积的绕行走线，这将会发生常常说到的走线跨分割或裂缝的问题。

为了更好地规划信号电流的返回路径，在信号PCB走线设计之初穿过第二个参考平面的地方需要放置附加的过孔。

如果电路足够复杂以至于可能有太多的参考平面变化，这时就可能需要采用更多层板的设计，以增加附加的信号或电源返回层。

注意：为了实现最佳的高频噪声抑制，电源返回“三明治”式的层间距要小－通常认为3～4mil是比较理想的。

通常情况下，电源和电源返回平面之间3～4mil的间距能够提供好的高频旁路。因此，去耦电容要均匀地放置在基板面的周围。然而，如果使用更传统的10mil间距，那么去耦电容必须从物理上尽可能近地放置在每一个IC的VCC管脚。

另外一种常见错误是布线时把数字或大功率的模拟信号PCB走线穿过电路中敏感的模拟电路部分。在布线时数字PCB走线穿过无噪声的模拟返回平面，数字开关噪声通常会干扰低电平的模拟信号。

注意：当改变参考平面两次，这就会迫使返回电流远离阻抗最小的路径，这是产生共模电流的最常见的原因。

同时，下面的5个方面在设计时需要注意：

一．接地和搭接

在EMI的故障整改领域中，接地实际上是指产品内电路或组件的返回路径的分析与设计。在实际工作中，接地经常指的是信号或电源的返回路径，而不是地或地平面。

为了防止误解，尤其对于EMI分析，接地也指用于把产品与大地相连接的安全导线接地。搭接：指的是两块导电材料通常为金属片或电缆的屏蔽层之间低阻抗的连接，多次搭接或连接的点之间应具有较低的直流阻抗。比如小于10mΩ，尽管许多标准要求小于2．5mΩ或更小。好的搭接可为电流的流动包括高频电流确保实体的路径。

关键的问题点是电流必须能够无阻挡地流回噪声源端或能量源头。在实际的应用中并不存在这种具有魔法的孔或地上的某点，即噪声电流大量流入或消失在这些地方。因此在进行EMI问题的分析时，用信号或电源返回路径或参考的接地更能准确地表达正确的EMI设计概念。

二．产品壳体上的间隙

产品金属壳体上的间隙，当长度大于大约1／10波长－该波长为产品产生的许多谐波频率中的任何一个所对应的数据时，其开始作为有效的辐射天线。由于天线既能接收又能发射，因此这些间隙也能使外部的射频或脉冲能量能进入产品内部，从而引起电路的扰乱及内部信号的误动作。此外，任何组件，如LCD，也必须在多点进行搭接，如下图所示。

LCD组件的搭接到屏蔽壳体对于减小发射很重要

注意：当评估屏蔽壳体搭接的完整性时，金属粘性铜带或铝箔都是比较好的故障诊断分析工具。在使用时一定要确定这些粘性的铜带确实具有连续导电性。

三．连接线电缆的搭接

任何I／O或电源连接器的导电外壳都应与产品的屏蔽壳体进行很好的搭接，这也是非常重要的。由于完整的圆形比如3600搭接有助于阻止电缆的辐射，因此只有采用这种搭接是最佳的。如下图所示。

连接线电缆搭接及屏蔽与电磁兼容的关系

四．屏蔽

金属屏蔽体可作为高频场的屏障。大多数产品都有完全包围电路的金属壳体或金属镀层的塑料壳体。基于这个原因，确保产品壳体的所有部分很好地搭接在一起则是非常重要的。当需要将连接线电缆穿过产品壳体时就需要一定的技巧。除非电缆连接器搭接到壳体，否则共模噪声电流将会沿着连接线电缆导线或电缆屏蔽层的外层泄漏。这里的重点是搭接。这必须是非常低阻抗＝10mΩ或更小的连接。理想情况下应与产品壳体进行3600搭接，如上图所示。也就是连接器的所有面都应与产品壳体进行搭接。这意味着涂层比如油漆、镀层等都将会阻碍好的搭接。因此，低阻抗的3600搭接将会达到最佳的效果。

五．滤波

在设计得很好的产品中通常都会使用滤波器。设计他们的目的是阻止高频电流－其会产生辐射发射电流的流动或阻止脉冲能量比如ESD、电源线瞬态，或射频电流进入电路。壳体设计为非屏蔽的产品必须依靠滤波和好的PCB设计、以符合EMI要求。比如，通常使用下面的方法：

（1）开关电源的输入和输出都需要进行滤波以平滑直流输出以及阻止开关噪声电流通过电源的输入导线进行发射。

（2）微控制器集成电路IC的复位引脚通常安装RC滤波器。

（3）I／O数据线和电源线使用RC滤波器或共模扼流圈。

（4）I／O电缆上所夹的铁氧体可作为高频扼流圈。

注意：滤波器的作用是建立高阻抗以阻止连接线电缆上流动的射频电流或者为电流返回到本地能量源提供低阻抗的路径。通常如果能实现这两个目的则是最佳的。其滤波的设计的详细信息参考《物联产品电磁兼容分析与设计》。

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