如何避免印刷電路板中的電磁干擾 (EMI)

發(fā)表時間：2021-06-11 15:29:41
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早在手機和互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)之前，我們的社交媒體就依賴于好老公民的樂隊收音機，或“CB”。僅使用語音，限制性更強，但通過收音機與人們交談也有點迷人-直到我街上的鄰居通電為止。運行比 FCC 允許的功率大得多的功率，他的干擾主導了本地頻率，在他關閉之前，您將無法在邊緣獲得一個字。

有趣的是，經(jīng)過這么多年，我仍然記得這種干擾是多么令人討厭，這就是為什么我非常尊重PCB 上的電磁干擾或 EMI。除非在設計中采取預防措施，否則電路板可能成為 EMI 的接收者。如果您不采取相同的預防措施，您設計的 PCB 也會與其他電子設備產(chǎn)生 EMI。本文將介紹其中的一些預防措施以及如何避免 PCB 設計中的電磁干擾。

EMI 帶來的挑戰(zhàn)電子設備之間的電磁干擾的一般影響是顯而易見的。無線通信系統(tǒng)被意外廣播中斷，汽車系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障，醫(yī)療或其他應用中使用的先進傳感器可能無法傳輸完整或正確的數(shù)據(jù)。一些娛樂場所將通過要求在表演期間停用無線設備來解決這個問題。在商業(yè)航班起飛和降落之前，空乘人員仍然會提出類似的要求。甚至在 CB 收音機的時代，我們就學會了避免讓汽車的發(fā)動機加速，以減少來自變速箱的發(fā)動機噪音。但是 EMI 預防遠不止于此，并且有許多不同的設計標準來指定允許或不允許的干擾量：

IEC 60601-1-2是一系列標準，用于定義醫(yī)療設備在面對 EMI 時的基本性能和安全預期。
CISPR 12是一項監(jiān)管要求，旨在確保當車輛靠近住宅或企業(yè)時，汽車的內(nèi)燃機不會干擾無線通信。
CISPR 25確保安裝在配備內(nèi)燃機的車輛上的無線電和其他通信設備的性能。

然而，EMI 問題比汽車中的無線電如何受到影響或無線麥克風是否從其他來源拾取雜散信號要深得多。在電路板內(nèi)部，EMI 會破壞電路板的工作方式。計算機系統(tǒng)依賴于它們的數(shù)據(jù)和內(nèi)存信號在處理器和內(nèi)存設備之間以及板上和板外到它們所連接的外部系統(tǒng)端口的清晰傳輸。此處的干擾會產(chǎn)生大量背景噪聲，提高接地參考電平，從而導致信號在錯誤狀態(tài)下被誤解。像這樣的干擾可能會導致系統(tǒng)出現(xiàn)間歇性問題或徹底故障。接下來，我們將看看是什么導致了印刷電路板上的一些 EMI 挑戰(zhàn)。

EMI 原因

雖然電路板上可能有許多不同的 EMI 來源，但以下是一些需要注意的主要來源：

同時開關噪聲 (SSN)：PCB 上的電路在連接的設備執(zhí)行其功能時不斷開關，這種活動會產(chǎn)生以 EMI 形式輻射的噪聲。當大型 CPU 或內(nèi)存設備上的許多輸出都同時切換且方向相同時，同步效果會差很多。
天線：電路板上的大塊金屬區(qū)域可以充當天線并輻射 EMI。這些區(qū)域可能包括電路板上的金屬平面層、高大的組件、散熱器，甚至是安裝電路板的系統(tǒng)機箱。
返回路徑：當高速傳輸線沒有與足夠的參考平面配對以使信號返回時，返回信號將在電路板上徘徊，直到找到返回源的路徑。缺乏清晰的返回路徑會在電路板上產(chǎn)生大量 EMI。
串擾：當電路板上走線太靠近的走線之間發(fā)生無意的電磁耦合時，就會發(fā)生這種情況。更大聲或攻擊者的信號會壓倒較弱的信號，然后它會模仿攻擊者的行為，而不是做它應該做的事情。如果走線沿相同方向布線，則 PCB 相鄰層上的走線之間可能會發(fā)生同樣的問題。這里它被稱為寬邊耦合。

EMI 預防

為防止這些情況發(fā)生，請考慮在電路板上實施以下設計技術(shù)：

層堆疊：確保為您的設計使用正確的層和堆疊配置。雖然較少的層數(shù)可能會降低電路板的制造成本，但它們可能會導致上面列出的一些挑戰(zhàn)。您的電路板將需要足夠的參考平面來實現(xiàn)清晰的信號返回路徑和設計良好的供電網(wǎng)絡來濾除開關噪聲。
元件放置：良好的信號和電源完整性始于在電路板上正確放置元件。可能會產(chǎn)生噪聲的敏感網(wǎng)絡需要盡可能短，具體取決于它們的組件彼此之間的接近程度。高速傳輸線和電源也是如此。同時，必須在組件之間留出足夠的空間來完成所有的走線布線。一定要在盡可能靠近大型 CPU 和內(nèi)存設備的地方放置大量旁路電容器，以吸收它們的功率尖峰。
走線：大部分走線將由組件放置的好壞來指導，但這里也有一些要點需要記住。在層上保留高速傳輸線和受控阻抗線，以便在微帶或帶狀線配置中使用直接參考平面作為信號返回路徑和屏蔽。小心分割平面或其他可能阻塞參考平面上清晰返回路徑的障礙物。保持布線盡可能短和直接，除非走線必須布線到特定長度。對于電源，保持走線盡可能寬并避免布線中的直角。