高速PCB設計中的EMI問題研究

連龍剛，徐文寬，王保成

（中國科學院 光電研究院，北京100094）

高速PCB設計中的EMI問題研究

連龍剛，徐文寬，王保成

（中國科學院 光電研究院，北京100094）

針對高速PCB設計中的EMI問題，提出相應的解決辦法。分別在布局、布線、濾波等方面提出詳細的設計原則以及相應的EMI設計方法，并針對這些方法提出注意事項。同時，EMI問題必須通過試驗來解決，EMI測試是電路設計中不可或缺的部分。通過注意這些事項，可以有效減小PCB的EMI現象。

EMI；布局；布線；接地

0 引言

電子工藝日新月異，而元器件的邊沿速度也越來越高。電路工作速度快了之后，PCB設計的要求也隨之越來越高。PCB設計質量的好壞甚至決定了電路中元器件工作性能乃至整體電路的性能是否達標。特別是考慮到成本以及PCB面積，綜合電路功能，EMI(Electromagnetic Interface)干擾源產生的途徑也越來越多，機理也越來越復雜。

1 EMI產生機理及解決方案

簡單的EMI三要素包含電磁干擾源、傳播途徑、受擾體[1]。明確了EMI產生的因素之后，在PCB設計時就要考慮哪些因素最容易解決，哪些只能折衷解決。從而在布局、布線以及接地時就必須認真考慮。

1.1 布局

在進行PCB布局的時候，首先根據功能進行區域劃分。不同功能分布于不同區域。同時在功能區域中再重點照顧敏感單元。

總體而言，PCB布局的時候要遵循下面原則：

(1)在高速電路中，必須考慮元器件的管腳的分布參數，尤其對于高速時鐘信號，器件管腳的分布電容影響特別大。同時參考分布電感的影響，有可能會引起信號的震蕩，從而導致電路功能失效。所以在布局時應盡量緊湊，縮短將來布線時的導線長度，減小EMI的影響。

(2)如果在電路中模擬器件和電子器件同時存在，那么就必須將兩者分開布局。因為數字器件的信號成分非常復雜，存在多次諧波，會對模擬信號產生非常大的影響。在布局時必須認真考慮[2]。

(3)目前的高速電路中勢必有時鐘單元。而時鐘單元工作的原理其實可以等效為一個噪聲源，當滿足一定條件時這個單元就會震蕩。它是電路中非常重要的傳導干擾和輻射干擾的源泉。所以在PCB布局時一定不要把時鐘單元放置于PCB的邊沿位置。否則PCB的EMI問題將會非常嚴重。盡量將時鐘單元放置于PCB的中心位置?？梢源蟠蠼档碗娐分械?EMI現象[3]。

1.2 布線

在PCB布線時如果成本控制不高，則可以盡量地增加地平面，以減小EMI影響。但是如果對于成本控制嚴格，則就必須認真考慮PCB的層數以及疊層順序。同時還要考慮信號類別，高速信號盡量和低速信號分開布線；噪聲的來源以及如何增強噪聲抑制；阻抗匹配的問題，如果高速信號失匹，必然造成信號的反射，降低電路可靠性；其他如網絡表在布線時也要綜合考慮。

1.2.1 布線的基本原則

布線時一般遵循如下原則：

(1)在布線時盡量避免斷點，即盡量避免走直角，如圖1所示，因為這樣會造成反射。為了避免這種現象，盡量將信號拐點處平滑。同時關鍵信號不得跨越分割區域，否則EMI會急劇增加。最常見的信號線跨越就是跨越不同的電源分割區域。

圖1 三種走線

(2)在布局時就考慮到了模擬器件和數字器件需要分開，所以二者布線同樣要盡量分開。同時盡量加寬地線和電源線的寬度，一般的布線經驗是地線寬度〉電源線寬度〉信號線寬度。同時在數字信號線布線時綜合考慮3W原則，對于多層板，內電層要考慮20H原則，考慮到這些則可以避免70%的EMI現象。對于模擬敏感的導線則采取諸如包地的措施。

(3)諸如USB2.0或者其他高速差分線在布線時盡量采用耦合方式布線，同時確保差分對之間的參考平面完整。由于差分對一般而言都是高速信號，所以盡量不要在PCB邊沿布線。

1.2.2 環路(loops)

電流回路是在PCB設計中不可避免的。自信號流出至信號流入而形成環路，每個環路都相當于一個天線。要減小PCB中的EMI，也就意味著要減小環路的數量以及環路的天線能力。這就是說在設計時要了解每一個信號線的流向，對于高速信號必須要減小它的環路面積[4]。

對于電路中應用最多的是去耦電容構成的電源回路，如圖2所示。如果去耦電容放置位置如左圖，則構成的電流回路較大，EMI現象也會較為明顯；而如右圖則緊靠芯片放置，去耦回路很小，能起到較為明顯的去EMI作用。減小環路一般要注意如下事項：

(1)保證每條信號線的兩點之間只有一條路徑。

(2)盡量使用地平面，同時保證信號回路沒有阻塞。

圖2 去耦回路

1.2.3 PCB的地線

(1)PCB的接地系統中要明確數字地、模擬地、系統屏蔽地之間的區別。數字地與模擬地之間用磁珠和電容隔離。而將數字地和屏蔽地直接相連。

(2)在PCB中如果允許，則盡量加粗地線。實在條件有限，最少也要降額50%使用，才能安全可靠。

(3)接地線要構成閉合回路，能夠增強抗干擾能力，也可以減小系統之間的電位差[5]。

1.3 濾波設計

在高速 PCB中，對于電源線和信號線，可以采取濾波處理。常規的措施有添加磁性濾波器件、EMI濾波器、去耦電容等(如圖3)。

圖3 常規濾波電路

1.3.1 去耦電容選擇

(1)在電路中去耦電容的作用既可以平滑電源，也可以增強器件抗干擾能力。一般去耦電容選擇瓷片電容，瓷片電容溫度穩定性較高，精度高，體積小，ESR(等效電阻)低。在電路設計中一般選用1 μF～100 μF容值之間，同時根據電路來考慮電容的耐壓問題。

(2)去耦電容位置已經在前面電源回路中講述過，一定要緊靠器件放置，否則效果不好。

1.3.2 磁性器件選擇

磁性器件有電感和磁珠兩類，一般在電源端選用電感，而在信號線之間選用磁珠。在磁性器件選擇時一定要考慮它的飽和度參數。一旦磁性器件飽和，則會燒毀。同時要考慮磁性器件的Q(品質因數)和DCR參數。

在信號線中常用的有串口線上使用磁珠增強抗EMI能力，如圖4所示。

圖4 信號線添加磁性器件

1.3.3 EMI濾波器選擇

在電源入和信號線出的地方是共摸干擾嚴重的地方。常見的抗共模干擾措施有添加共摸電感、壓敏電阻、LC電路、專用的EMI濾波器等。在高速數字電路中，如USB、HDMI等數字接口高速傳輸，必須考慮EMI問題。這里就不再一一贅述了。

1.4 信號反射

在信號傳輸中總是希望源端能量能夠全部傳輸到負載端，也就是ZL和ZO一定要相等。如果它們不相等(即阻抗不匹配)，則勢必有部分能量會被反射。

如果線路傳輸延遲較長，有較強的信號反射回源端，那么源端必須改變一個較大的量去補償，這個時候就出現了振鈴，如圖5所示。

信號出現振鈴的時候，也是EMI現象嚴重的時候。在PCB設計中為了避免出現這種現象。一般需遵循如表1原則。

圖5 信號振鈴

表1 邊沿時間與傳輸線長度對比

2 EMI測試

在產品設計之后，雖然綜合考慮了很多避免EMI的方法。但是一定要通過測試才能發現問題，然后整改設備，解決問題。

EMI測試包含了測試方法、儀器以及測試場所。測試方法自然是參考各項標準來測試，而儀器如果條件不允許的話，使用頻譜儀也能定性的測試。如果想要知道設備具體EMI相關值，必須使用專業設備。至于測試場所，最好是在暗室中測試，如果條件不允許，則折衷考慮。

3 結語

高速PCB設計中對于EMI的考慮是一個非常復雜的程序。而且在前面所述的多種因素有時互為矛盾，此時就需要設計者綜合考慮哪個是主要矛盾，要首先考慮，哪些可以退而求其次。但無論如何，對于解決EMI的手段勢必會越來越多且有效。

[1]曼特羅斯.電磁兼容的印制電路板設計[M].呂英華等，譯.北京：機械工業出版社，2008.

[2]田建學.機載設備電磁兼容設計與實施[M].北京：國防工業出版社，2010.

[3]陳淑鳳.航天器電磁兼容技術[M].北京：中國科學技術出版社，2007.

[4]鄭軍奇.EMC電磁兼容設計與案例分析[M].北京：電子工業出版社，2010.

[5]朱文立.電磁兼容設計與整改對策及案例分析[M].北京：電子工業出版社，2012.

EMI problem research of high speed PCB design

Lian Longgang，Xu Wenkuan，Wang Baocheng
(Academy of Opto-Electronics,Chinese Academy of Science，Beijing 100094，China)

It gives relevant solutions for the EMI problems in high speed PCB design,and puts forward the corresponding EMI design principles and techniques in such aspects as layout,routing and filtering respectively.Along with that,matters needing attention are pointed out based on these methods.At the same time,the EMI problem must be addressed by test,and EMI test is an integral part of the circuit design.By attention to these matters,it can effectively reduce the PCB EMI phenomenon.

EMI；layout；routing；grounding

TP302.1

：A

：0258-7998(2015)03-0017-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.03.002

2014-11-19)

連龍剛（1982-），男，碩士，工程師，主要研究方向：通信技術。

徐文寬（1982-），男，碩士，工程師，主要研究方向：航空電子技術。

王保成（1974-），男，博士，副研究員，主要研究方向：航空電子技術。