电磁兼容PCB设计规则

当涉及到电磁干扰(EMI)和印刷电路板(pcb)时，规则并不意味着要被打破。在设计pcb时遵循一些简单的电磁兼容性指南将节省时间和成本。仿真软件可以提供帮助。

PCB上的所有高速信号都应参考一个固体平面。在PCB上流过任何迹线的电流必须完成整个电路回路，并通过参考平面回到源(图1a中的黄色箭头)。返回电流将始终选择“阻抗”最小的路径，并相对于入射电流路径形成最小的环路，以使环路电感最小(参见图1b):

图1:电流流过PCB迹线和电感最小的返回路径

如果信号参考没有正确计算，可能会导致产品中潜在的EMI问题。让我们来看看一些重要的信号参考相关的设计准则。此外，我们还将研究如何万博Ansys SIwave，通过其内置的EMI扫描仪，可自动和自定义的信号参考规则检查pcb，以确定潜在的问题领域。

规则1:网络变化引用

通常，高速信号轨迹通过PCB上的通孔改变多层。在这样做的时候，人们往往会忘记返回电流是如何在两层之间回流的。如图2a所示，由于接近性，轨迹在顶层时引用平面1，在通过通道到达底层时引用平面2。由于返回电流路径被破坏，它可能导致非预期的EMI问题和通过区域的不需要的辐射。

图2:信号跟踪改变参考

如果基准改变是不可避免的，两个基准平面必须通过拼接电容和/或通孔连接。这些必须放置在尽可能靠近信号过渡区域，使返回电流流动形成最短的可能回路，如图2b所示。

规则2:净近参考边

当迹线不在参考平面边缘附近布线时，电场从迹线很好地耦合到参考平面，并很好地包含在PCB内。图3a显示了一个带有参考平面的跟踪示例。另一方面，如果走线被路由到参考平面的边缘附近(图3b)，电子场线不再包含，并可能泄漏到预期的PCB平面之外。

图3:距离参考边缘和接近参考边缘的轨迹的E场比较

这些泄漏的电子场线可能导致系统中相邻板上的迹线发生意外耦合。此外，如果这些电场耦合到系统外的电缆上(图3c)，可能会导致意外辐射和辐射发射问题。

规则3:净交叉分割

有时，PCB设计人员可能会在高速走线参考平面中引入一个分割。图4a显示了参考平面上的分裂，迫使返回电流绕过分裂，这意味着更长的路径，更高的回路电感和EMI问题。不建议使用分流，但在不可避免的情况下，如图4b所示，在分流上使用拼接电容器可提供高频返回电流路径，在分流上没有太大偏差。这些电容器应放置在尽可能接近网络交叉。

图4:在参考平面中存在分割时返回当前路径

让我们在SIwave EMI Scanner模拟示例中使用此规则来说明拆分的影响。

网络交叉分割示例:模拟及其与实际测试需求的关系

在图5中的PCB示例中，EMI Scanner中的净交叉分割规则识别了净SPI1_SCK在参考平面中穿过两个不同分割的两个点，并将它们报告为违规。

图5:EMI Scanner为SPI1_SCK报告的违例

为了分析目的，我们创建了两对电容(值0.1μF)(两对电容各有两个数字)，如图6所示:

图6:拼接电容器创建跨越分割

在引入电容器前后，我们在SIwave中进行了近场分析。在净SPI1_SCK穿过裂口的区域，前一种情况的结果如图7a/7b所示，后一种情况的结果如图7c/7d所示。

图7:引入电容器前后的近场@ 828.46 MHz和162.45 MHz

EMI扫描仪中的违例消失了，近场图显示了水平的降低。

通常，汽车部件在1米的距离上根据CISPR 25辐射排放要求进行测试。图8显示了该PCB在30 MHz - 1 GHz频率范围内一米距离的模拟远场的对比分析。需要注意的是，拼接电容器的加入降低了5 - 10分贝的发射电平。如果我们考虑CISPR 25中的两个限制进行简化分析，我们看到第5类峰值限制为28 dBμV/m @ 41 - 88 MHz(电视波段I)和35 dBμV/m @ 142 - 175 MHz (VHF)。在没有拼接电容的情况下，PCB在这些频率范围内显示不合规。

图8:1米辐射发射对比

查看了与PCB设计指南相关的信号参考，即净变化参考，净近边参考和净交叉分割，很明显，信号参考在PCB级和随后的产品级避免EMI问题方面发挥着至关重要的作用。

SIwave的PCB级EMI扫描仪模拟能够早期识别此类EMI问题，这有助于PCB设计人员进行设计更改，然后可以重新模拟以获得信心，然后再进行进一步的组件和系统级模拟或物理测试。

要了解更多关于如何使用SIwave的EMI扫描仪，请查看下面的视频和我们的其他视频SIwave Youtube频道。