技术资讯 I 如何在 PCB 中降低 EMI 并优化 EMC？

本文要点

了解 EMI 与 EMC 之间的区别。

采用低功耗器件、隔离技术、PCB 防护以及热管理，减少 EMI 来源。

借助约束管理、信号完整性分析和实时 DRC 更新等工具，创建 EMI 优化设计。

所有电子电路板都用于实现甚至增强电子流动，从而达成特定的性能目标。电流沿闭合路径流动，会产生一个向外扩展并垂直于电流方向的磁场。当该磁场附近有电子元件或信号路径时，就会发生电磁干扰（EMI，Electromagnetic Interference）。

许多 PCBA 设计首先要考虑的便是如何控制 EMI，尤其是高速电路板。对于带有辐射器分类器件的电路板，常见的方法是采用EMI 滤波器设计。虽然滤波器效果显著，但电路板设计师还应掌握更多 PCB 设计方法，这些都是降低 EMI 的重要工具，常常需要灵活运用。

电磁干扰的构成

EMC 与 EMI：有什么区别？

大多数 PCBA 并非产品中唯一的电子或电气设备。因此，在深入探讨单板 EMI 问题之前，最好先从宏观或系统层面了解 EMI 问题。

正如电磁能量会从单个器件、导体或走线中散发出去，电路板本身也可能向外环境中释放电磁波；如果将高斯计放在 PCB 附近，就能测量到相关数值。当多块电路板紧密相邻时，实现电磁兼容性（EMC，Electromagnetic Compatibility） 就显得尤为重要。

EMC 旨在确保器件之间的 EMI 最小化，从而确保设备的正常运行。虽然 EMI 无法完全消除，但可以实现 EMC。EMI 通常指单块 PCBA 上的干扰，降低 EMI 有助于提高电路板周围环境的 EMC 水平。

EMI 来源分类

声源	描述
器件	电子器件，尤其是处理器、FPGA、放大器、发射器、天线等高功率设备，往往是 EMI 的重要来源。开关器件也可能产生电磁干扰，对整个系统造成破坏。
信号与走线	EMI 可以沿着走线传播，也可能在引脚和连接器点处产生。不当的差分对布线可能会引起信号衰减和反射，从而影响信号完整性，甚至导致电路异常行为。此外，杂散电容可能会导致信号路径与接地平面之间出现不必要的耦合
外部来源	如果电路板距离辐射源（例如其他电路板或元件）太近，则可能会引入 EMI。电路板周围其他设备或装置的振动或移动也可能产生谐波。

电磁覆盖无限的频率范围，几乎无处不在。如下图所示，我们日常使用的许多工具、电器和产品都会产生电磁辐射。

电磁波谱

如何降低 PCB 器件的 EMI？

如前所述，器件往往是电磁辐射的主要来源，不仅会影响电路板操作，还可能干扰外部 PCBA 和电子电路。因此，为有效降低 EMI，制定减轻其负面影响的措施至关重要，如下所述。

EMC 与 EMI：有什么区别？

措施	描述
选择低功耗器件	选择低功耗器件，降低 EMI。高功耗器件通常会产生更多的 EMI，低功耗器件即可维持功能。
隔离不同类型的器件	将处理同类信号的器件分为一组。将数字器件彼此靠近放置，并远离模拟器件。
使用 PCB防护	在器件或子电路周围使用 PCB 保护环、法拉第笼或类似的防护，可以有效降低 EMI，同时防止辐射影响周围环境。
采用散热技术	使用散热器和过孔，有效管理器件产生的热量，最大限度地降低 EMI。

EMI 最小化的 PCB layout 设计

在电路板布局过程中，间距是重要考量因素之一，包括确保导电元件之间有足够的间隙和爬电距离。

对于多层电路板而言，导电平面与接地平面之间的层叠顺序和距离也很重要，如下表所示。

如何降低来自信号和平面的 EMI

措施	描述
在信号线之间留出足够的间隙	为有效降低走线之间的 EMI，首要考量因素是间距或间隙。遵循基于 IPC 标准的规则管理器的建议。
确保去耦电容器和旁路电容器接地	杂散电容难以完全消除，但可以将电容器尽可能靠近引脚接地，有效减轻此类电容所带来的影响。
采用良好的 EMI 滤波设计	大多数设计，尤其是使用数字信号的设计，都包含可能产生信号失真的开关器件。在这些情况下，采用滤波器是提高信号保真度的最佳措施。
返回路径长度最小化	地回路应尽可能短。
确保差分走线相同	对于差分信号路径，走线应保持镜像对称，包括走线长度、铜重量和恒定的间距。如有必要，应采用蛇形走线来保持长度和间距。
避免锐角	布线时应使用圆角，避免使用锐角，因为锐角可能会改变特性阻抗，导致信号反射。
避免导电层相邻堆叠	在 PCB 堆叠中，切勿将两个导电层相邻放置。最好用接地平面将它们分开。
小心处理分割地平面	对于不同类型的信号，最好使用单独的接地层。但如果采用了分割接地平面，务必确保通过单点接地的方式将各接地层连接起来。

PCB layout（包括器叠层结构）有助于确保良好的信号完整性和降低 EMI。然而，任何旨在降低 EMI 的 PCB 设计指南，如果不涉及外部 EMI 的抑制措施，都是不完整的。

避免外部 EMI

最大限度地减少外部 EMI对于电路板上的信号完整性和电路运行非常重要，并且有助于 PCBA 安装环境的 EMC。以下是可以采取的措施。

如何降低外部来源的 EMI

使用屏蔽装置：屏蔽装置通常用于覆盖特定的器件或子电路。与围栏不同，屏蔽装置通常由绝缘材料制成，放置在器件顶部或将其完全封闭。

使用外壳：外壳通常被视为安全装置。然而，外壳也能有效保护电路板免受碎屑和外部 EMI 的影响。

以上关于器件、layout 和外部来源的 PCB 设计指南，均有助于降低电路板上的 EMI，并改善电路板运行环境的 EMC。此外，要高效地实施这些设计指南，往往需要借助专门的设计工具。点击下图查看白皮书，了解 Cadence 提出的自动化仿真工作流程，并且能够高效地创建 EM 仿真设计，来实现快速上市的产品开发过程。