博客作者：Dario Fresu

歡迎來到 “掌握 PCB 設(shè)計(jì)中的 EMI 控制” 系列的第四篇文章。在本文中，我們將探討電磁干擾（EMI）管理的高級要點(diǎn)，這些要點(diǎn)對高效 PCB 設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

設(shè)計(jì)印刷電路板（PCB）時(shí)，核心挑戰(zhàn)之一是確保設(shè)計(jì)通過輻射和傳導(dǎo)發(fā)射測試。這不僅是滿足法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵，也能確保 PCB 在目標(biāo)環(huán)境中正常運(yùn)行，避免對其他設(shè)備和系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

同樣重要的是實(shí)現(xiàn)對外部和內(nèi)部發(fā)射的抗擾性，這有助于確保最終產(chǎn)品的可靠性和性能。

圖 1：Altium Designer 中的 PCB 設(shè)計(jì)示例

設(shè)計(jì)抗 EMI 的 PCB時(shí)，需明確一個(gè)關(guān)鍵概念：輻射主要由電路中的電流變化而非電壓引起。這意味著所有電路都會(huì)因固有電流變化而不可避免地產(chǎn)生一定程度的電磁輻射，設(shè)計(jì)師的核心挑戰(zhàn)在于管理和控制輻射強(qiáng)度。

為實(shí)現(xiàn)更好的電磁兼容性（EMC），我們需聚焦于設(shè)計(jì)能有效約束和最小化電磁輻射的 PCB，這涉及處理兩種主要輻射類型：

差模電流輻射；

共模電流輻射。

圖 2：電路中的差模與共模電流（共模電流返回路徑未顯示）。參考：Dario Fresu

簡單來說，差模電流可視為通過不同路徑 “反向流動(dòng)” 的電流，而共模電流則是沿電路路徑以相同 “公共” 方向流動(dòng)的電流。

如何最小化差模電流輻射

差模電流是電路正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，它們在集成電路（IC）和元件之間流動(dòng)，是 PCB 電路設(shè)計(jì)的一部分。

差模電流沿電路布局形成的環(huán)路流動(dòng)，環(huán)路面積直接影響輻射水平：環(huán)路面積越大，輻射越強(qiáng)，且頻率越高，輻射也越顯著。

降低差模輻射的策略包括：

1. 減少走線中的電流；

2. 降低電流頻率；

3. 最小化電流環(huán)路面積。

然而，減少電流或降低頻率（策略 1 和 2）通常不切實(shí)際，因?yàn)榭赡茱@著影響電路效率。最具實(shí)操性的方法是最小化電流環(huán)路面積，這也是 PCB 設(shè)計(jì)師可直接控制的關(guān)鍵因素。

圖 3：Altium Designer 中 PCB 電流環(huán)路示例

一種高效方法是在疊層結(jié)構(gòu)中為信號走線配置緊鄰的返回參考平面，這可使正向和返回電流形成的環(huán)路面積極小化，從而抑制輻射。結(jié)合盡可能縮短信號走線的設(shè)計(jì)，能最大限度降低差模電流輻射。

當(dāng)然，元件布局、減少信號串?dāng)_以及管理可能將噪聲傳遞到附近電纜的耦合機(jī)制，對減少輻射也很重要，但這些均屬于次要因素，核心仍是最小化電流環(huán)路面積。

這一技術(shù)直接針對差模電流輻射的根源，效果尤為顯著。

如何最小化共模電流輻射

設(shè)計(jì)師需關(guān)注的另一類重要電流是共模電流。與有意設(shè)計(jì)的差模電流不同，共模電流并非原理圖中的顯式設(shè)計(jì)元素，它們并非電路運(yùn)行必需，主要源于設(shè)計(jì)中的寄生效應(yīng)。

識(shí)別和控制這些寄生電流頗具挑戰(zhàn)性，因?yàn)槠鋪碓赐⒉幻黠@。共模電流通常在差模電流流經(jīng)電路中的寄生元件時(shí)產(chǎn)生。

圖 4：返回平面的間隙常為共模輻射的成因（Altium Designer）

這些寄生效應(yīng)尤其存在于返回參考導(dǎo)體（通常稱為 “地” 或 “信號地” 導(dǎo)體）中。返回參考導(dǎo)體中出現(xiàn)寄生效應(yīng)的問題，主要是因?yàn)樵趯?shí)際情況中，元件和導(dǎo)體并非完美無缺，與理想狀態(tài)相去甚遠(yuǎn)。

例如，電路中的銅質(zhì)走線不僅具有電阻，還表現(xiàn)出電感和電容特性，且這些寄生參數(shù)隨信號頻率升高而顯著影響電路。

與主要受環(huán)路面積影響的差模輻射不同，共模電流主要受導(dǎo)體長度和噪聲頻率影響（導(dǎo)體長度的影響在超過一定閾值后趨于穩(wěn)定，本文暫不深入探討）。

對于電長度較短的電纜，共模電流輻射可建模為偶極子（或單極子）天線發(fā)射，而非環(huán)路天線發(fā)射，這一建模差異影響輻射的產(chǎn)生與控制方式。

從源頭有效降低共模電流輻射的策略包括：

減少共模電流；

降低共模電流頻率；

最小化導(dǎo)致共模輻射的導(dǎo)體長度。

關(guān)鍵策略是縮短信號走線長度。盡管受系統(tǒng)限制無法縮短所有導(dǎo)體，但設(shè)計(jì)師應(yīng)盡可能在可行范圍內(nèi)減小走線長度，這對抑制 PCB 輻射（尤其是在信號頻率持續(xù)升高的趨勢下）至關(guān)重要。

使用實(shí)心銅平面作為返回和參考平面是另一有效技術(shù)，可降低返回電流路徑的電感，從而減少驅(qū)動(dòng)共模輻射的電壓源。

完整的銅平面（無分割或切口）通過為返回電流提供低阻抗路徑，有助于維持信號完整性并降低 EMI。

如何通過縫合過孔最小化輻射

在具有多個(gè)返回參考平面的多層疊層結(jié)構(gòu)中，縫合過孔是減少共模輻射的推薦技術(shù)。縫合過孔連接不同的返回參考層，確保其保持相同電位，從而減少驅(qū)動(dòng)偶極子（或單極子）天線模式輻射的共模電壓源，顯著降低雜散噪聲和 EMI。

圖 5：Altium Designer 中的縫合過孔示例

除減少共模輻射外，縫合過孔還為疊層中跨層傳輸?shù)男盘柼峁┛煽康碾娏鞣祷芈窂胶蛥⒖茧娢?，防止平面間產(chǎn)生輻射 —— 這類輻射不僅影響 EMI，還會(huì)損害信號完整性和 PCB 整體性能。

結(jié)論

設(shè)計(jì)有效控制 EMI 的 PCB 時(shí)，工具選擇至關(guān)重要。先進(jìn)的 PCB 設(shè)計(jì)軟件可幫助管理各種設(shè)計(jì)參數(shù)，確保電路板以高精度和效率完成設(shè)計(jì)。這些工具是應(yīng)對復(fù)雜設(shè)計(jì)要求、驗(yàn)證 EMI 抑制策略正確實(shí)施的關(guān)鍵，最終實(shí)現(xiàn)更可靠、高性能的 PCB。

Altium Designer 可無縫集成到設(shè)計(jì)工作流程中，提供充分發(fā)揮專業(yè)能力所需的靈活性和先進(jìn)功能，讓高效 EMI 控制策略的落地更加輕松。

在下一篇文章中，我們將探討電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）的去耦策略，為設(shè)計(jì)實(shí)踐提供更多洞見。

關(guān)于Altium

Altium有限公司隸屬于瑞薩集團(tuán)，總部位于美國加利福尼亞州圣迭戈，是一家致力于加速電子創(chuàng)新的全球軟件公司。Altium提供數(shù)字解決方案，以最大限度提高電子設(shè)計(jì)的生產(chǎn)力，連接整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的所有利益相關(guān)者，提供對元器件資源和信息的無縫訪問，并管理整個(gè)電子產(chǎn)品生命周期。Altium生態(tài)系統(tǒng)加速了各行業(yè)及各規(guī)模企業(yè)的電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)進(jìn)程。