让PCB的EMC效果最优的方法

EMC的基本概念

首先，我们需要理解EMC涉及两个主要方面：一是抗干扰能力，即设备能够在电磁干扰环境下正常工作;二是干扰控制，即设备在正常工作时不对其他设备产生不可接受的干扰。在高功率PCB设计中，这两个方面尤为重要，因为高功率电路往往更容易产生和受到电磁干扰。

高功率PCB的EMC问题

在高功率PCB中，电流强度大，因此在电路板上形成的电磁场也强。这会导致两个问题：一是辐射干扰，即电路板向外发射的电磁波可能干扰其他电子设备;二是导入干扰，即外部电磁波可能影响电路板上的信号。

PCB 的 EMC 设计的关键，是尽可能减小回流面积，让回流路径按照我们设计的方向流动。而层的设计是 PCB 的基础，如何做好 PCB 层设计才能让PCB 的 EMC 效果最优呢?

一、PCB层的设计思路： PCB叠层EMC规划与设计思路的核心就是合理规划信号回流路径，尽可能减小信号从单板镜像层的回流面积，使得磁通对消或最小化。

1. 单板镜像层 镜像层是PCB内部临近信号层的一层完整的敷铜平面层(电源层、接地层)，主要有以下作用：

降低回流噪声：镜像层可以为信号层回流提供低阻抗路径，尤其在电源分布系统中有大电流流动时，镜像层的作用更加明显。

降低EMI：镜像层的存在减少了信号和回流形成的闭合环的面积，降低了EMI;

降低串扰：有助于控制高速数字电路中信号走线之间的串扰问题，改变信号线距镜像层的高度，就可以控制信号线间串扰，高度越小，串扰越小;

阻抗控制：防止信号反射。

2. 镜像层的选择

电源、地平面都能用作参考平面，且对内部走线有一定的屏蔽作用;

相对而言，电源平面具有较高的特性阻抗，与参考电平存在较大的电势差，同时电源平面上的高频干扰相对比较大;

从屏蔽的角度，地平面一般均作了接地的处理，并作为基准电平参考点，其屏蔽效果远远优于电源平面;

选择参考平面时，应优选地平面，次选电源平面。

二、磁通对消原理： 根据麦克斯韦方程，分立的带电体或电流，它们之间的一切电的及磁的作用都是通过它们之间的中间区域传递的，不论中间区域是真空还是实体物质。在PCB中磁通总是在传输线中传播的，如果射频回流路径平行靠近其相应的信号路径，则回流路径上的磁通与信号路径上的磁通是方向相反的，这时它们相互叠加，则得到了通量对消的效果。

三、磁通对消 磁通对消的本质就是信号回流路径的控制

四、右手定则

如何用右手定则来解释信号层与地层相邻时磁通对消效果，解释如下： 当导线上有电流流过时，导线周围便会产生磁场，磁场的方向以右手定则来确定。 当有两条彼此靠近且平行的导线，如下图所示，其中一个导体的电流向外流出，另一个导体的电流向内流入，如果流过这两根导线的电流分别是信号电流和它的回流电流，那么这两个电流是大小相等方向相反的，所以它们的磁场也是大小相等，而方向是相反的，因此能相互抵消。

在PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)设计中，通过适当的层叠布局可以改善电磁兼容性(EMC)效果。层叠布局可以有助于减少电磁辐射、干扰和信号耦合，从而提高电子设备的性能和可靠性。以下是一些在PCB设计中实现更好EMC效果的方法：

分离不同信号层： 将不同信号类型分配到不同的层上，如将模拟信号和数字信号分离，以减少信号之间的干扰。这有助于防止高速数字信号对模拟电路的影响。

参考平面和地平面： 在每一层上都添加参考平面(如地平面)，以提供信号回流路径，减少回流电流的路径长度。这有助于减少辐射和信号环路。

分层供电： 在不同的层上布局电源和地线，以避免信号线和电源线之间的互相干扰。这有助于提高电源线的纯净性。

差分信号层： 对于差分信号(如高速串行通信)布线，将正负差分信号线放在相邻的层上，以减少差分信号之间的干扰。

EMC屏蔽层： 在PCB层叠中添加专门的EMC层，用于屏蔽敏感电路或减少外部干扰。这可以帮助隔离噪声和提高抗干扰能力。

平面分割： 如果需要，可以将地平面分割成不同的区域，以隔离敏感电路和高速信号。这有助于控制信号的传播和噪声的影响。

规避高速线： 在PCB布线中，尽量规避高速信号线与其他线路的交叉，以减少信号耦合。

良好的连接，尽量小的回路： 确保地线和电源线的连接短而稳定，以减少电流环路和地回流路径。

五、布局方面

①. 合理分区是关键。将模拟电路、数字电路和电源电路划分开，这样可以减少不同类型信号间的相互干扰。例如，对于一个同时包含微控制器(数字部分)和传感器接口(模拟部分)的电路板，应使它们保持一定距离。

②. 按照信号流向布局。确保信号从输入到输出的路径流畅，减少信号环路面积。比如高速信号线路应尽量短且直，避免出现迂回的线路，因为较大的信号环路会产生更多的电磁辐射。

六、布线方面

①. 对于高速信号线和时钟线，要进行适当的阻抗匹配，以减少反射。同时采用差分信号线传输高速信号，这样可以有效抵抗外界的电磁干扰，如USB、HDMI等高速接口的布线就常用差分对。

②. 增加布线间距。信号线之间保持足够的距离可以减少串扰，尤其是不同电压等级或者不同信号类型的线路之间。

七、接地方面

①. 采用单点接地和多点接地相结合的方式。对于低频电路，单点接地可以避免形成地环路;对于高频电路，多点接地有助于减小接地阻抗。

②. 合理设置接地平面。完整的接地平面能够为信号提供回流路径，同时起到屏蔽作用，吸收和反射电磁干扰。

八、电源方面

①. 在电源入口处添加滤波电容，滤除电源线上的高频噪声。这些电容可以包括不同容值的电容并联，例如一个大电容(如10μF)和一个小电容(如0.1μF)并联，分别对低频和高频噪声进行滤波。