電磁兼容性（EMC，即Electromagnetic Compatibility）是指設(shè)備或系統(tǒng)，在其電磁環(huán)境中符合要求運行，并不對其環(huán)境中的其它設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁騷擾的能力。

PCB產(chǎn)品設(shè)計過程中需要重點考慮EMC，通常70%以上的EMC問題都來自于板級的設(shè)計。如果時鐘信號沒有做好屏蔽，相對應的頻點或是倍頻之后的頻點就可能成為輻射點；信號沒有完整可靠的參考平面，傳輸過程中就會產(chǎn)生反射，進而影響測試結(jié)果；對于模擬電路或是高頻電路區(qū)域沒有進行屏蔽，也會對EMI（電磁干擾 Electro Magnetic Interference）測試的結(jié)果產(chǎn)生很大影響。

EMC工程師常用的三個主要措施：屏蔽，接地，濾波，適當?shù)钠ヅ浜投私右矔a(chǎn)生不錯的效果。

下面我們從PCB設(shè)計過程中的四個階段，來分析和改善板卡的EMC設(shè)計。

PCB疊層及阻抗設(shè)計

隨著信號頻率的不斷提高，設(shè)計中對板卡的疊層和所選擇的材料要求也越來越高。

信號傳輸過程中不可避免的會產(chǎn)生損耗，頻率越高損耗越嚴重，所以基材的選擇也是EMC設(shè)計的重要部分。目前市場上通常使用的都是FR4板材，基材分為覆銅板（Core芯板）和半固化片（PP），PCB就是通過不同的Core和PP進行壓合而成。

選擇板材時需要關(guān)注的特性參數(shù)如下，其中高頻板材的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗越低，板卡上的信號完整性越好，進而可以獲得更好的EMC性能：

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）, HTG>=150度。

基材的熱分解溫度（Td）, Td>=330度。

介質(zhì)常數(shù)（Dk），高頻板信號設(shè)計和仿真必須考慮。

介質(zhì)損耗因素（Df），高頻板信號設(shè)計和仿真必須考慮。

首先，高速板卡硬件設(shè)計時不建議PCB采用兩層板設(shè)計，因為兩層板很難進行阻抗控制。如需滿足常用的單端50ohm和差分100ohm阻抗，線寬和間距上都會占用很大的空間，信號布線時要有伴地線才能做到阻抗控制，具體的阻抗值可參考下圖一所示。

圖一：兩層板阻抗設(shè)計

兩層板沒有完整的地平面來做參考層面，信號的回流路徑長，會影響信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。

所以建議至少采用四層板電路設(shè)計，才能獲得更好的EMC效果。通常的疊構(gòu)包括四層：
Top/Ground/Power/Bottom，Top層是主要器件的布局層，Ground可以為Top層的器件提供完整的參考平面，Bottom層盡量減少信號的布線，更多的提供電源的布線。

如果板卡的電源相對較少，Power層也可以做Ground來為Bottom層提供完整的參考層面。

常用的四層板疊層如圖二所示，阻抗如圖三和圖四所示：

圖二：四層板疊層設(shè)計

圖三：四層板單端50歐姆阻抗設(shè)計

圖四：四層板差分100歐姆阻抗設(shè)計

其次，關(guān)于高頻PCB應用的基材選擇時，介質(zhì)常數(shù)Dk和介質(zhì)損耗因素Df是兩個重要的參數(shù)（如圖五所示），還有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg和基材的熱分解溫度Td，這些參數(shù)都會對板卡的EMC測試產(chǎn)生很大的影響。

基材的選擇既要保證信號質(zhì)量，同時也要考慮生產(chǎn)成本，最大程度上保證PCB的設(shè)計質(zhì)量。國內(nèi)常用的板材有：Tu768，S1170等。

圖五：基材的Dk和Df參考

常用的疊層設(shè)計規(guī)則如下：

1）至少有一個連續(xù)完整的地平面控制阻抗和信號質(zhì)量；

2）電源和地平面靠近放置，這樣可以減少電源對地阻抗，進而降低電源噪聲對信號完整性的影響；

3）疊層盡量避免兩個信號層相鄰，如果相鄰加大兩個信號層的間距；

4）避免兩個電源平面相鄰，特別是由于信號層鋪電源而導致的電源平面相鄰；

5）疊層能做到對阻抗的有效控制，滿足通用的單端50ohm和差分100ohm阻抗要求，及其他一些常規(guī)的阻抗需求，USB 90ohm阻抗；

6）兩個外層（Top和Bottom）盡可能鋪地，特別是板邊及敏感器件周圍，并且連續(xù)增加地孔，避免長距離的無過孔的銅皮；

總之，PCB疊層和阻抗會為板卡的EMC設(shè)計提供良好的基礎(chǔ)，提供一個最基本的信號框架，在這個框架內(nèi)需要滿足信號及電源完整性的各種質(zhì)量要求，合理的層疊可以減少板卡本身的EMI輻射，整體上提升板卡的EMC等級。

PCB器件布局設(shè)計

集成電路的設(shè)計包含模擬電路和數(shù)字電路，模擬器件靈敏度高，帶寬越大，抗干擾度越差；數(shù)字電路取決于噪聲容限或噪聲抗干擾度。噪聲容限即疊加在輸入信號上的噪聲最大允許值，如下圖所示：

板級的EMC濾波設(shè)計，需要嚴格區(qū)分不同模塊區(qū)域，盡量避免模擬和數(shù)字電路混合布局，電源模塊電路單獨空間，接口器件做好防護，時鐘和高頻信號內(nèi)層布線，這些都可以減少信號的交叉帶來不必要的影響。

通常電路需要遵循以下的一些基本原則：

1）高速、中速、低速電路要分開；DDR, MIPI, Flash等相對獨立的高速電路布局要優(yōu)先考慮，其他普通的GPIO等低速電路避免交叉。

2）強電流、高電壓、強輻射元器件遠離弱電流、低電壓、敏感元器件；若12V電源供電，保證足夠的安全距離并且濾波電路靠近輸入端。

一般電源防雷保護器件的順序是：壓敏電阻、保險絲、抑制二極管、EMI 濾波器、電感或者共模電感，對于原理圖缺失上面任意器件順延布局；

3）開關(guān)電源是否遠離ADDA轉(zhuǎn)換器、模擬器件、敏感器件、時鐘器件；開關(guān)電源布局要緊湊，輸入輸出要分開；

4）一般對接口信號的保護器件的順序是：ESD(TVS管)、隔離變壓器、共模電感、電容、電阻，對于原理圖缺失上面任意器件順延布局；

5）電平變換芯片（如RS232）是否靠近連接器(如串口)放置, 易受ESD干擾的器件，如NMOS、CMOS器件等，是否已盡量遠離易受ESD干擾的區(qū)域（如單板的邊緣區(qū)域）。

6）模擬電路和數(shù)字電路要分開布局，可以保證單點接地；電源模塊盡量集中擺放，PLL或是LDO電源可靠近負載端減少線路電感。

7）晶體、晶振和時鐘分配器與相關(guān)的IC器件要盡量靠近；時鐘電路的濾波器(盡量采用“∏”型濾波)要靠近時鐘電路的電源輸入管腳；晶體、晶振和時鐘分配器的布局要注意遠離大功率的元器件、散熱器等發(fā)熱的器件，晶振盡量遠離板邊和接口器件。

8）電容務必要靠近電源管腳放置，而且容值越小的電容要越靠近電源管腳；EMI濾波器要靠近芯片電源的輸入口；原則上每個電源管腳一個0.1uF的小電容、一個集成電路一個或多個10uF儲能電容，可以根據(jù)具體情況進行增減；

9）對熱敏感的元件（含液態(tài)介質(zhì)電容、晶振）盡量遠離大功率的元器件、散熱器等熱源。

PCB信號布線約束設(shè)計

結(jié)合上述章節(jié)的疊層阻抗設(shè)計和器件布局為基礎(chǔ)，我們已經(jīng)為信號完整性創(chuàng)建了一個非常穩(wěn)定的平臺，接下來就要考慮如何在信號布線方面來改善并提高EMC設(shè)計的效果。

隨著頻率的上升，信號跳變產(chǎn)生的電磁能量也在增加。如果回路電感很大，就會使得交流信號的感抗很大，信號不僅會在板內(nèi)傳輸，同時還會輻射到空間中去。這時就要引入微帶線或者帶狀線，他們可以給信號提供一個低阻抗的傳輸路徑，電磁能量就被控制在了導體之間的介質(zhì)中。主要原因是信號路徑與回流路徑靠得更近，這樣整個回路的電感就減小了。

由此可知，參考平面對傳輸線的單位長度有效電感的影響是很大的。

可以想象，在高頻條件下，如果信號擁有很好的回流路徑，那么它所感受到的回路電感就會很小，信號就會按照人們的意愿從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩耍绻盘柛惺艿降幕芈冯姼泻艽缶蜁a(chǎn)生輻射問題。

通常信號層要有完整的地平面來做為參考平面，保證回流路徑最短。

下面總結(jié)一些通用的能有效提高EMC效果的規(guī)則：

1）關(guān)鍵高速信號線，時鐘信號等敏感信號，走線避免跨越參考平面，就是我們通常所說的跨分割，參考平面的改變會對信號電平產(chǎn)生不可預知的跳變。

2）關(guān)鍵信號線走線避免“U”型或“O”型，這樣會形成自環(huán)路；除非特別需要延時匹配的信號，像DDR，F(xiàn)lash，SD等需要時鐘和數(shù)據(jù)延時匹配，其他的盡量避免人為的增加布線長度。

3）時鐘信號線盡量遠離板邊或是外置接口器件，布線距離越短越好，遠離開關(guān)電源等干擾器件。晶振下面避免其他容易受影響的信號布線，建議鋪地銅皮。

有些遠距離的時鐘信號，HDMI和USB等高速信號盡量內(nèi)層布線，間距保證滿足3W原則，特殊功能的可以采取伴地線處理，同時每隔200mil左右增加地孔。

4）相同功能的總線要并行走、中間不要夾插其它信號；接收信號和發(fā)送信號分開布線，避免平行走線。

5）芯片內(nèi)部的地管腳避免共用地孔，盡量每個管腳保證一個地孔，特別是DDR高速信號管腳的地，密集的區(qū)域可以適當增加地孔。

6）浪涌抑制器件（TVS管、壓敏電阻）對應的信號走線是否在表層短且粗（一般10mil以上）；不同接口之間的走線要清晰，不要互相交叉；接口線到所連接的保護和濾波器件要盡量短；接口線必須要經(jīng)過保護或濾波器件再到信號接收芯片；接口器件的固定孔是否接到保護地，保護地和信號地之間通常保持80mil以上的安全間距；變壓器、光耦等前后的地是否分開；

連接到機殼上的定位孔、扳手等沒有直接接到信號地上。

7）電源平面針對地平面內(nèi)縮，保證滿足20H原則（H為電源和地平面之間的介質(zhì)厚度），如果電源數(shù)量不多，可以把電源平面也設(shè)置成地和電源的混合平面。

8）電源部分若有AC220V的，信號或是銅皮的安全間距要保持300mil以上；DC48V的安全間距要保持在80mil以上，DC12V需要30mil以上，這些安全間距的對象包括走線，銅皮，過孔，焊盤等所有相關(guān)因素。

9）時鐘或是其他容易產(chǎn)生EMI的信號，盡量避免采用插裝件的管腳或測試點，需要預留測試點的選擇表貼焊盤。換層過孔比較密集的區(qū)域建議增加濾波電容。DDR時鐘信號和DQS盡量內(nèi)層布線，注意匹配電阻和端接電路的位置。

10）高頻電流環(huán)路面積S越大，EMI輻射越嚴重。減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要任務之一，就是想方設(shè)法減小高頻電流環(huán)路面積S。布線時就要減少非必要的繞線或縮短連線，減少高頻電流回路面積。

11）環(huán)路電流頻率f越高，引起的EMI輻射越嚴重，電磁輻射場強隨電流頻率f的平方成正比增大。減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要途徑之一，就是想方設(shè)法減小騷擾源高頻電流頻率f，即減小騷擾電磁波的頻率f。

PCB包地設(shè)計規(guī)則

談到EMC設(shè)計就不可避免的要提到“地”，在PCB設(shè)計中有很多不同的概念，如數(shù)字地、模擬地、信號地、機殼地、電源地、防雷地、共模地、安全地、參考地、大地、RF地、靜電地、防護地、單點地以及多點地等等。所有以電壓電平為工作特性的電氣設(shè)備都需要有參考，而這個參考絕大多數(shù)情況下是0V，最后大家約定俗成的把這個0V參考叫成了“地”。

對于一個3.3V的數(shù)字信號，這個3.3V電平就是相對于0V參考而言的。

對于一般的數(shù)字信號，用參考的說法其實也是更準確的，信號通過這個參考來達到回流的目的。關(guān)于回流，并不只有“地”才可以回流，實際上一切皆可回流，包括地、電源以及旁邊的信號。但是通常PCB設(shè)計中都會有一個完整的地平面來提供參考平面。
下面整理了一些關(guān)于PCB地設(shè)計的常用規(guī)則：

1）器件貼片層（Top）的相鄰層建議保證完整的地平面，為芯片提供短而有效的回流路徑，芯片的地管腳可以直接通過過孔連接到地平面，對后續(xù)EMC測試起到非常重要的作用。

2）電源平面的相鄰層也要有完整的地平面，降低電源對地阻抗，可以有效的抑制電源噪聲對其他信號的影響，提高EMC效果。

3）時鐘信號在空間允許的情況下，可以采用包地處理，地線上均勻地增加地孔，這樣可以有效抑制時鐘信號的平行輻射。特別是遠距離的布線，輸入和輸出端或是信號換層處都要增加地孔或是濾波電容。

4）ACDC和DCDC電源的輸入地和輸出地要盡量分開，避免輸入的噪聲耦合到板內(nèi)的電源或地上面。對于48V和12V電源，要盡量增加地的銅皮面積，最好大于相應的電源面積。

5）電源平面在滿足過流的前提下，板卡周圍盡可能增加地平面，這們也可以抑制電源噪聲的平行輻射。

6）各個IO接口的外殼地盡量和板內(nèi)的信號地通過電感或是磁珠隔離，模擬器件的地與數(shù)字地采用單點接地，相應的電源或地平面也要做分配。模擬信號與數(shù)字信號的布線保持足夠的安全距離。

7）高速信號板通常是多層板，都會有完整的地參考平面。信號線包地的主要目的是減少信號間的串擾。包地線是位于攻擊線和被攻擊線之間的隔離線，它可以有效的減少信號之間的電容，插入屏蔽地線后信號與地耦合，不在與鄰近線耦合，使線間串擾大大降低。

另外包地線不僅僅只是屏蔽了電場，信號線上的電流也在包地線上產(chǎn)生了方向相反的感應電流，包地線上的感應電流產(chǎn)生的磁力線進一步抵消了動態(tài)線在靜態(tài)線位置處所產(chǎn)生的雜散磁力線。如圖六：

圖六：高速信號線間的包地設(shè)計

8）針對兩層板的PCB設(shè)計，由于缺少完整的參考平面，重要信號的包地就非常重要。包地線的寬度要盡量寬，最好在信號寬度的兩倍以上。同時多打過孔，過孔間距小于信號線上信號波長1/5。一方面可以減小信號回路面積，另外防止信號線與其他信號線之間的串擾。

以上我們介紹了板級EMC設(shè)計需要注意的幾個主要方面，成熟的產(chǎn)品會在整個設(shè)計過程中充分考慮EMC的相關(guān)影響因素，通過不斷地改善來實現(xiàn)最終的產(chǎn)品化。

來源： 恩智浦MCU加油站
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審核編輯 黃宇