如何从PCB入手，优化EMC？

当我们谈论电磁时，我们在谈论什么？这不是一个离我们生活很远的话题，也不仅仅与硬件研发有关，我们的生活中随处可见电磁干扰现象。比如，KTV中两个话筒距离太近，可能会出现啸叫；再比如，一些地磁混乱的地区，会出现GPS定位异常甚至失灵。这些现象，其实都是电磁干扰在现实生活中的直观体现。
很多人虽然不清楚其背后的物理机制，但大多都有一个共识：电磁干扰会显著影响电子设备的使用体验，甚至直接导致功能失效，这也是为什么现在产品上市前都必须通过相关电磁兼容标准的认证。
当电磁干扰问题发生在电子产品中时，最终几乎都会指向同一个关键载体 – PCB。
在工程实践中，EMC（Electromagnetic Compatibility，电磁兼容）常常被误认为“成品测试阶段才需面对的问题”，但实际上，EMC的根源往往在PCB设计与制造阶段就已经被埋下了。
PCB是电子设备信号、电源、电流回路和参考平面的物理载体，也是电磁能量最容易产生、耦合和辐射的地方。在PCB上，电磁噪音不是随机出现的，而是高度集中在几个少数功能模块中，更准确地说 – “电流快速变化”或“参考不稳定”的地方，就一定会产生电磁噪音。
下图展示了当电源接入PCB时传输线产生的电场与磁场，这些场域与周边信号相互作用，影响信号质量。
Illustration of electric and magnetic fields | NCAB Group
Figure 1: The electrical and magnetic fields produced by transmission lines when power is applied to the PCB.(Source: NCAB)
PCB电磁兼容性设计
功能分区
我们可以将PCB划分为不同的功能区域，如数字电路区、模拟电路区、电源区等，每个区域，都有自己的噪声源、电流回路、参考需求及可接受的干扰水平，如果不能做好各个功能区间的屏蔽，导致这些模块在PCB上边界不清、回流交叉，那么噪声就可能以辐射或传导的形式发散出去。
Illustration of a PCB´s functional zones | NCAB Group
在进行PCB元器件布局时，需要注意：
  • 高频/噪声电路（如开关电源、时钟电路）应远离敏感电路（如模拟信号、传感器），来减少干扰耦合。
  • 高速芯片（如MCU、存储器）应远离板边和借口，避免外部干扰。
  • 关键元件布局：晶振/时钟源应靠近负载芯片，缩短走线路径，减少辐射和干扰。电源芯片应靠近用电单元，减少电源路径上的压降和噪声。敏感元件（如小信号放大器、高精度ADC）应远离噪声源，如大功率器件、开关电源等。
此外，还要控制电流回路面积，特别是高频信号的回路面积，在低频时，信号导线是导线，但在高频时，信号导线就成了天线，对外产生辐射。
电源与接地设计
1. 电源层设计
电源层应完整、连续、避免分割，来减少电源噪声的传播。在电源入口处添加滤波电容，滤除电源线上的高频噪声。
2. 接地层设计
使用完整、连续的地平面，为信号提供低阻抗回路，避免分割地平面，特别是高频电路的地平面，来防止地弹噪声。
各子系统的地，应通过过孔连接到主地平面。
3. 去耦电容设计
在每个电源引脚就近放置0.1uF高频陶瓷电容和10uF储能电容，来滤除电源线上的高频噪声和提供瞬态电流。电容的接地端应该直接打孔至地平面，减少引线电感，提高滤波效果。
电源层、接地层与去耦电容，共同构成了一个用于处理高速瞬态电流的闭合系统，这个系统的稳定性，往往比信号线本身更直接决定了整块板在电磁环境中的表现。
信号线设计
走线规则
  • 避免90°垂直走线，用45°弧线或圆弧走线，减少阻抗突变导致的反射。
  • 高速线（如USB、HDMI）应按设计要求匹配阻抗特性（如50Ω/100Ω差分），来减少信号失真和辐射。
  • 差分信号线应保持等长、等距，减少共模噪声。
  • 微带线将信号层置于PCB外层，而带状线则是将信号置于两个接地层之间。带状线结构通常能提供更好的阻抗控制，因其走线更具封闭性，减少了受外部干扰因素影响的可能性。
串扰控制
  • 高速信号线（如时钟、数据总线）应使用3W原则（线间距≥3倍线宽），避免串扰。
  • 为减少耦合干扰，建议避免平行走线，特别是长距离平行走线。
  • 建议在关键信号线两侧添加保护地线，屏蔽外界干扰
其它优化措施
叠层结构
合理设计PCB的层叠结构，如将电源层和地层相邻排列，来减少电源噪声对信号层的干扰。在高速信号层下方安排完整的地平面，提供稳定的参考和屏蔽作用。一个好的叠层设计有助于阻抗控制、成品良率、成本、交期等因素的平衡。
过孔设计
减少过孔数量，特别是关键信号线上的过孔数量，来减少信号失真和辐射。优化过孔布局，避免过孔形成大的电流环路或天线效应。当高速信号必须换层走线时，需要在信号过孔旁添加Stitching Via，为信号换层提供连续、最短的回流路径。
我们曾在实践中遇到这样一个案例 – 高速信号阻抗线与过孔间距过近。设计师为了在外层焊盘间腾出布线空间，主动移除了参考层上的非功能焊盘（Anti-pad），最后结果就是阻抗不如预期。
从电磁角度来看，Anti-pad增大后，信号线下方在这个区域没有参考面，导致阻抗突变，引起信号反射，同时增大的Anti-pad破坏了信号原定的回流路径，导致信号走线与回流路径形成的环路面积增大，向外辐射电磁能量，影响产品的EMC性能。
材料选择
选择具有低介电常数和低损耗的PCB材料，来减少信号传输过程中的衰减和失真。考虑使用阻抗控制材料或特殊涂层材料，来提高PCB的EMC性能。
总结
PCB的EMC性能，是产品核心功能、成本、可靠性及合规性要求的权衡。比如高速通信设备需要优先控制辐射发射，而医疗设备需重点提升抗干扰度。PCB EMC是个庞大的课题，涉及信号完整性、电源完整性、热管理、机械结构等多方面因素，PCB设计工程师需在多个维度间找到最佳平衡点。
NCAB建议在设计初期就与PCB供应商密切合作，优化设计，尤其是复杂的设计方案，能最大程度降低潜在风险。

作者：南峰说

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