了解电子行业PCB设计EMC47原理

差模电流和共模电流

辐射产生：电流产生辐射而不是电压，静电荷产生静电场，恒定电流产生磁场，时变电流产生电场和磁场。 任何电路都存在共模电流和差模电流。 差模信号携带数据或有用信号。 共模信号是差模的负作用。

差模电流：大小相等，方向（相位）相反。 由于PCB布线的不连续分布电容、电感和信号线阻抗，以及信号返回路径的意外路径，差模电流将转换为共模

共模电流的大小和方向（相位）不一定相同。

设备对外的干扰主要是共模干扰，也存在差模干扰，但共模干扰强度往往比差模强度大几个数量级。 外界干扰主要是共模干扰，一般不会对设备造成伤害。 但是如果把共模干扰转换成差模干扰就很严重了，因为有用的信号都是差模信号。

差模电流的磁场主要集中在差模电流形成的环区，而环区外磁力线会相互抵消； 共模电流的磁场在环路区域外，与共模电流产生的磁场方向相同。

许多PCB的EMC设计都遵循上述理论。

抑制PCB板上干扰的方法是减小差模信号环路面积。

减少高频噪声返回（过滤、隔离和匹配）。

降低共模电压（接地设计）。

PCB设计原则总结

原则1：PCB时钟频率超过5MHZ或信号上升时间小于5ns，一般需要采用多层板设计。

原因：采用多层板设计可以很好地控制信号回路的面积。

原则2：对于关键布线层（时钟线、总线、接口信号线、射频线、复位信号线、片选信号线和各种控制信号线所在的层），应与完整的地平面相邻 ，最好在两个地平面之间。

原因：关键信号线一般都是强辐射或极度敏感的信号线。 靠近地平面布线可以减小信号电路的面积，降低其辐射强度或提高抗干扰能力。

原则3：对于单层板，关键信号线两边都要包好；

原因：关键信号两侧接地，一方面可以减小信号环路面积，另一方面可以防止信号线与其他信号线之间的串扰。

原则4：对于双层板，关键信号线的投影面有大面积铺地，或者和单面板一样打孔。

原因：按键信号与多层板靠近地平面的信号相同

原则5：在多层板中，电源层相对于其相邻的地平面应减少5H-20H（H为电源与地平面之间的距离）。

原因：相对于其返回地平面缩小电源平面可以有效抑制边缘辐射问题。

原则6：布线层的投影平面应在其返回平面层的区域内。

原因：如果布线层不在返回平面层的投影区域内，会造成边缘辐射问题，增加信号环路面积，导致差模辐射增大。

原则7：在多层板中，板的TOP和BOTTOM层不应有大于50MHZ的信号线，

原因：最好将高频信号走在两个平面层之间，以抑制其向空间辐射。

原则8：对于板级工作频率大于50MHz的板，如果第二层和倒数第二层为布线层，TOP和BOOTTOM层应铺设接地铜箔。

原因：最好将高频信号走在两个平面层之间，以抑制其向空间辐射。

原则9：在多层板中，单板的主要工作电源平面（应用最广泛的电源平面）应靠近其地平面。

原因：电源层与地层相邻，可有效减小电源电路的环路面积。

原则10：在单层板中，必须有与电源线相邻并平行的地线。

原因：减小电源电流环路面积。

原则11：在双层板中，必须有与电源线相邻并平行的地线。

原因：减小电源电流环路面积

原则12：在分层设计中，尽量避免走线层的相邻设置。 如果不能避免相邻的布线层，则应适当增加两个布线层之间的层间距，减小布线层与其信号电路之间的层间距。

原因：在相邻布线层并行信号走线会造成信号串扰。

原则13：相邻的平面图层应避免其投影平面重叠。

原因：当投影重叠时，层与层之间的耦合电容会导致层与层之间的噪声被耦合。

原则14：PCB布局设计时，应充分遵循沿信号流向线性布局的设计原则，尽量避免来回环路。

原因：避免信号直接耦合，影响信号质量。

原则15：当多个模块电路放置在同一块PCB上时，数字电路和模拟电路、高速和低速电路应分开布置。

原因：避免数字电路、模拟电路、高速电路和低速电路之间相互干扰。

原则16：当电路板上同时有高、中、低速电路时，高、中速电路应远离接口。

原因：防止高频电路噪声通过接口向外辐射。

原则17：储能和高频滤波电容器应靠近单元电路或电流变化较大的设备（如电源模块、风扇和继电器的输入输出端子）放置。

原因：储能电容的存在可以减小大电流回路的回路面积。

原则18：电路板电源输入端口的滤波电路应靠近接口放置，

原因：避免过滤掉的线路再次耦合。

原则19：在PCB板上，接口电路的滤波、保护和隔离器件应靠近接口放置。

原因：能有效达到保护、过滤、隔离的效果。

原则20：如果接口处既有滤波电路又有保护电路，应遵循先滤波后保护的原则。

原因：保护电路用于外部过压过流抑制。 如果保护电路置于滤波电路之后，滤波电路会因过压过流而损坏。

原则21：布局应保证滤波电路（filter）、隔离和保护电路的输入输出线不相互耦合。

产生原因：当上述电路的输入输出接线相互耦合时，会削弱滤波、隔离或保护作用。

原则22：如果板子上的接口设计成“洁净”，“洁净”和工作场所之间的隔离带上应放置过滤和隔离装置。

原因：避免滤波器或隔离器件通过平面层相互耦合削弱效果。

原则23：除过滤器和保护装置外，不要在“洁净地面”上放置任何其他装置。

原因：“clean”设计旨在保证接口辐射最小，“clean”容易受外界干扰耦合，因此“clean”上不应有其他不相关的电路和器件。

原则24：晶振、晶振、继电器、开关电源等强辐射器件距离单板接口连接器至少1000mil。

原因：干扰会直接向外辐射或耦合出线电缆上的电流向外辐射。

原则25：敏感电路或器件（如复位电路、WATCHDOG电路等）应距离板边缘至少1000mils，尤其是板接口边缘。

原因：板卡接口等地方最容易受到外界干扰（如静电）耦合，而复位电路、看门狗电路等敏感电路则极有可能引起系统操作错误。

原则26：所有用于IC滤波的滤波电容，应尽量靠近芯片的电源管脚放置。

原因：电容离管脚越近，高频电路面积越小，辐射越小。

原则27：起始端串联的匹配电阻应靠近其信号输出端放置。

原因：一开始串联匹配电阻的设计目的是为了使芯片输出端的输出阻抗与串联电阻的阻抗之和等于布线的特性阻抗。 匹配电阻放在末端，不能满足上式。

原则28：PCB走线不得有直角或锐角走线。

原因：直角布线导致阻抗不连续，导致信号传输产生振铃或过冲，形成较强的EMI辐射。

原则29：尽量避免相邻布线层的层设置。 如果无法避免，尽量使两个布线层中的走线相互垂直或平行走线长度小于1000mil。

原因：减少平行线之间的串扰。

原则30：如果板子有内部信号走线层，时钟等关键信号线在内层走线（优先走线层）。

原因：将关键信号敷设在内部走线层上，可以起到屏蔽作用。

原则31：建议在时钟线两边缠绕地线，每3000mil打一次接地过孔。

原因：保证接地线上各点电位相等。

原则32：时钟、总线、射频电缆等关键信号走线与其他同层平行走线应满足3W原则。

原因：避免信号之间的串扰。

原则33：用于电流≥1A的电源的表贴保险丝、磁珠、电感、钽电容的焊盘应至少通过两个过孔与平面层相连。

原因：降低了过孔的等效阻抗。

原则34：差分信号线应同层、等长、平行、阻抗相同，差分线之间无其他走线。

原因：保证差分线对的共模阻抗相等，提高其抗干扰能力。

原则35：关键信号走线不得跨越分区区域（包括过孔和焊盘造成的参考平面间隙）。

原因：跨隔板布线会导致信号回路面积增大。

原则36：当信号线不可避免地跨其返回平面分地时，建议在信号分面附近使用桥接电容，电容值为1nF。

原因：当信号被拆分时，电路面积往往会增加。 采用桥接地方式，手动为其设置信号电路。

原则37：板上滤波器（滤波电路）下方不得走其他无关信号。

原因：分布电容会削弱滤波器的滤波效果。

原则38：滤波器（滤波电路）的输入输出信号线不得平行或交叉。

原因：避免滤波前后的直接噪声耦合。

原则39：关键信号线与参考平面边缘的距离≥3H（H为线距参考平面的高度）。

产生原因：抑制了边缘辐射效应。

原则40：对于金属外壳的接地元件，其投影区域的顶层应铺设接地铜片。

产生原因：金属外壳与接地铜片之间的分布电容，用来抑制其对外辐射，提高其抗扰度。

原则41：在单层板或双层板中，布线时应注意“环路面积最小化”设计。

原因：环路面积越小，环路对外辐射越小，抗干扰能力越强。