PCB的設(shè)計在產(chǎn)品可靠性設(shè)計方面是非常重要的。對于PCB設(shè)計在EMI方面的問題考慮：設(shè)計工程師通常都非常注意PCB上信號走線的布線，但經(jīng)常卻沒有考慮他們的返回路徑。理解和解決EMI問題的關(guān)鍵是理解電流的流動。電流以環(huán)路的形式流動，因此，許多數(shù)字電路設(shè)計工程師容易忘了這個重要的事實。因為，大多數(shù)原理圖的檢查表明，一半的原理圖都忘了地或信號和電源的返回系統(tǒng)。因此就容易忽略了所有的電源和信號的返回路徑，這些信號的布線都是電路板布線人員一時的疏忽才會導(dǎo)致的顯著EMI問題。

通過理解返回電流是如何返回其電源及如何確保返回路徑為低阻抗，就可以很好地解決產(chǎn)品中的EMI問題。

首先，考慮高頻電流是怎樣流動的。在低頻時，返回電流通常沿著電阻最小的路徑流動。在高頻時，返回電流通常沿著阻抗最小的路徑流動。如下圖所示。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：在較高頻率時，當(dāng)信號或電源導(dǎo)線或PCB走線及與之相關(guān)的返回路徑－另外一條導(dǎo)線或返回平面的物理尺寸最小時，其路徑的自感最小。由于這種現(xiàn)象，產(chǎn)生的結(jié)果是信號或電源導(dǎo)線中的電流和返回電流通常會使流出電流和輸入電流之間的物理空間最小。如果迫使返回路徑形成了較大的環(huán)路面積，這種環(huán)路的作用類似于天線，將會產(chǎn)生輻射發(fā)射。

不同頻率信號的返回電流路徑示意圖

當(dāng)頻率大于1MHz時，返回電流通常在信號PCB走線下方或者上方的信號返回平面上直接流動。這取決于信號PCB電路板的層結(jié)構(gòu)。如果迫使返回路徑距信號走線的下面有較長的路徑，那么環(huán)路的物理尺寸將變得非常大，通常會產(chǎn)生環(huán)天線的輻射發(fā)射，同時也將產(chǎn)生共模電壓源。這些電壓源會在PCB的周圍且通常沿著I／O電纜或電源電纜產(chǎn)生共模電流，這些電纜就會像單極子天線或偶極子天線一樣產(chǎn)生輻射發(fā)射。

在實際的應(yīng)用中，常常會發(fā)現(xiàn)電子工程師為其產(chǎn)品設(shè)計的PCB信號和電源返回平面上存在被疏忽的間隙和分割。這樣就會帶來更大的返回電流路徑，如下圖所示。

電流被PCB強行改變路徑的示意圖

返回電流被強行改變路徑及所產(chǎn)生的環(huán)繞PCB的磁場。當(dāng)迫使返回電流遠離阻抗最小的優(yōu)先路徑時，會形成環(huán)天線，如上圖所示。這就會在整個電路板附近產(chǎn)生磁場，這些磁場也能與其他PCB走線產(chǎn)生耦合，從而有效地形成小的電壓源，電壓源又在電路板附近產(chǎn)生共模電流。這些共模電流然后耦合給I／O電纜或電源電纜，他們會輻射基波信號的高頻諧波。

返回平面的互感產(chǎn)生小的電壓降ΔU＝L·（di／dt），這種電壓降會產(chǎn)生共模電流。信號電流環(huán)路和附近的另外一個電路環(huán)路之間的互感也將會產(chǎn)生電壓差，這種電壓差可在附近的電路中產(chǎn)生電流。

當(dāng)進行PCB布線時，產(chǎn)生EMI的另外一個常見問題是改變參考平面層，沒有為返回電流的信號PCB走線規(guī)定閉合的物理路徑。比如，如果信號PCB走線在參考返回平面的頂部開始布線，穿過過孔，繼續(xù)參考到這個相同的返回平面，這是沒有問題的是可以接受的，如下圖所示。

數(shù)字信號參考相同的參考面返回電流

如果出現(xiàn)這樣的情況，一條PCB走線從PCB板子上的一層（參考到信號返回平面）開始，穿過過孔后到達另外一層（其使用不同的參考面）如下圖所示。如果這兩個參考平面（即信號返回的路徑）的電位相同，且兩層通過過孔多次連接在一起，那么規(guī)定的返回路徑將具有小的環(huán)路面積。這是我們希望的設(shè)計。

信號穿過兩層地線層及處理方法

信號在兩層之間換層的處理方法示意圖

在如上面的圖示中，過孔的作用當(dāng)數(shù)字信號參考到兩個不同的平面時，在信號PCB走線的穿過點，如果兩個平面的電位相同，則兩個層之間應(yīng)使用一個或多個過孔。如果兩個平面的電位不同，那么應(yīng)盡可能使用兩個或多個縫合電容在信號的穿過點將這兩個平面相連接，優(yōu)先采用對稱的方式。

然而，如果兩個參考平面具有不同的電位；比如信號返回平面和電源平面，那么返回路徑可能會規(guī)劃設(shè)計的不好，從而形成了具有較大環(huán)路面積的繞行走線，這將會發(fā)生常常說到的走線跨分割或裂縫的問題。

為了更好地規(guī)劃信號電流的返回路徑，在信號PCB走線設(shè)計之初穿過第二個參考平面的地方需要放置附加的過孔。

如果電路足夠復(fù)雜以至于可能有太多的參考平面變化，這時就可能需要采用更多層板的設(shè)計，以增加附加的信號或電源返回層。

注意：為了實現(xiàn)最佳的高頻噪聲抑制，電源返回“三明治”式的層間距要小－通常認為3～4mil是比較理想的。

通常情況下，電源和電源返回平面之間3～4mil的間距能夠提供好的高頻旁路。因此，去耦電容要均勻地放置在基板面的周圍。然而，如果使用更傳統(tǒng)的10mil間距，那么去耦電容必須從物理上盡可能近地放置在每一個IC的VCC管腳。

另外一種常見錯誤是布線時把數(shù)字或大功率的模擬信號PCB走線穿過電路中敏感的模擬電路部分。在布線時數(shù)字PCB走線穿過無噪聲的模擬返回平面，數(shù)字開關(guān)噪聲通常會干擾低電平的模擬信號。

注意：當(dāng)改變參考平面兩次，這就會迫使返回電流遠離阻抗最小的路徑，這是產(chǎn)生共模電流的最常見的原因。

同時，下面的5個方面在設(shè)計時需要注意：

一．接地和搭接

在EMI的故障整改領(lǐng)域中，接地實際上是指產(chǎn)品內(nèi)電路或組件的返回路徑的分析與設(shè)計。在實際工作中，接地經(jīng)常指的是信號或電源的返回路徑，而不是地或地平面。

為了防止誤解，尤其對于EMI分析，接地也指用于把產(chǎn)品與大地相連接的安全導(dǎo)線接地。搭接：指的是兩塊導(dǎo)電材料通常為金屬片或電纜的屏蔽層之間低阻抗的連接，多次搭接或連接的點之間應(yīng)具有較低的直流阻抗。比如小于10mΩ，盡管許多標(biāo)準(zhǔn)要求小于2．5mΩ或更小。好的搭接可為電流的流動包括高頻電流確保實體的路徑。

關(guān)鍵的問題點是電流必須能夠無阻擋地流回噪聲源端或能量源頭。在實際的應(yīng)用中并不存在這種具有魔法的孔或地上的某點，即噪聲電流大量流入或消失在這些地方。因此在進行EMI問題的分析時，用信號或電源返回路徑或參考的接地更能準(zhǔn)確地表達正確的EMI設(shè)計概念。

二．產(chǎn)品殼體上的間隙

產(chǎn)品金屬殼體上的間隙，當(dāng)長度大于大約1／10波長－該波長為產(chǎn)品產(chǎn)生的許多諧波頻率中的任何一個所對應(yīng)的數(shù)據(jù)時，其開始作為有效的輻射天線。由于天線既能接收又能發(fā)射，因此這些間隙也能使外部的射頻或脈沖能量能進入產(chǎn)品內(nèi)部，從而引起電路的擾亂及內(nèi)部信號的誤動作。此外，任何組件，如LCD，也必須在多點進行搭接，如下圖所示。

LCD組件的搭接到屏蔽殼體對于減小發(fā)射很重要

注意：當(dāng)評估屏蔽殼體搭接的完整性時，金屬粘性銅帶或鋁箔都是比較好的故障診斷分析工具。在使用時一定要確定這些粘性的銅帶確實具有連續(xù)導(dǎo)電性。

三．連接線電纜的搭接

任何I／O或電源連接器的導(dǎo)電外殼都應(yīng)與產(chǎn)品的屏蔽殼體進行很好的搭接，這也是非常重要的。由于完整的圓形比如3600搭接有助于阻止電纜的輻射，因此只有采用這種搭接是最佳的。如下圖所示。

連接線電纜搭接及屏蔽與電磁兼容的關(guān)系

四．屏蔽

金屬屏蔽體可作為高頻場的屏障。大多數(shù)產(chǎn)品都有完全包圍電路的金屬殼體或金屬鍍層的塑料殼體?；谶@個原因，確保產(chǎn)品殼體的所有部分很好地搭接在一起則是非常重要的。當(dāng)需要將連接線電纜穿過產(chǎn)品殼體時就需要一定的技巧。除非電纜連接器搭接到殼體，否則共模噪聲電流將會沿著連接線電纜導(dǎo)線或電纜屏蔽層的外層泄漏。這里的重點是搭接。這必須是非常低阻抗＝10mΩ或更小的連接。理想情況下應(yīng)與產(chǎn)品殼體進行3600搭接，如上圖所示。也就是連接器的所有面都應(yīng)與產(chǎn)品殼體進行搭接。這意味著涂層比如油漆、鍍層等都將會阻礙好的搭接。因此，低阻抗的3600搭接將會達到最佳的效果。

五．濾波

在設(shè)計得很好的產(chǎn)品中通常都會使用濾波器。設(shè)計他們的目的是阻止高頻電流－其會產(chǎn)生輻射發(fā)射電流的流動或阻止脈沖能量比如ESD、電源線瞬態(tài)，或射頻電流進入電路。殼體設(shè)計為非屏蔽的產(chǎn)品必須依靠濾波和好的PCB設(shè)計、以符合EMI要求。比如，通常使用下面的方法：

（1）開關(guān)電源的輸入和輸出都需要進行濾波以平滑直流輸出以及阻止開關(guān)噪聲電流通過電源的輸入導(dǎo)線進行發(fā)射。

（2）微控制器集成電路IC的復(fù)位引腳通常安裝RC濾波器。

（3）I／O數(shù)據(jù)線和電源線使用RC濾波器或共模扼流圈。

（4）I／O電纜上所夾的鐵氧體可作為高頻扼流圈。

注意：濾波器的作用是建立高阻抗以阻止連接線電纜上流動的射頻電流或者為電流返回到本地能量源提供低阻抗的路徑。通常如果能實現(xiàn)這兩個目的則是最佳的。其濾波的設(shè)計的詳細信息參考《物聯(lián)產(chǎn)品電磁兼容分析與設(shè)計》。