电磁兼容性PCB设计规则

当涉及到电磁干扰(EMI)和印刷电路板(pcb)时，规则是不能被打破的。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该参考一个实体平面。在PCB上的任何走线中流动的电流必须完成整个电路回路，并通过参考平面返回源(图1a中的黄色箭头)。返回电流总是选择“阻抗”最小的路径，相对于入射电流路径形成最小的环路，以使环路电感最小(见图1b):

图1:电流通过PCB走线和电感最小的返回路径

如果没有正确地考虑信号参考，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。同时，我们将看看如何Ansys SIwave，通过其内置的EMI扫描仪，可以对pcb进行自动和可定制的信号参考规则检查，以识别潜在问题的区域。

规则1:净变化参考

通常，高速信号走线通过PCB上的过孔改变多层。当这样做时，人们往往会忘记回流电流将如何在两层之间回流。图2a说明了这一点，其中由于接近，迹线在顶层时指向平面1，通过通孔进入底层时指向平面2。因为返回电流路径被打破，它可能导致意外的EMI问题和不必要的辐射在通过区域。

图2:信号轨迹变化参考

如果基准变化是不可避免的，两个基准平面必须通过拼接电容器和/或过孔连接。这些必须尽可能靠近信号过渡区域，使返回电流形成尽可能短的环路，如图2b所示。

规则2:网靠近参考边缘

当走线不在参考平面边缘附近布线时，电场从走线到参考平面的耦合很好，并且很好地包含在PCB中。图3a显示了一个带有参考平面的轨迹示例。另一方面，如果走线被路由到参考平面的边缘附近(图3b)，则e场线不再被包含，并且可能泄漏到预期的PCB平面之外。

图3:远离参考边缘和接近参考边缘的迹线的E场比较

这些泄漏的电磁场线可能导致系统内相邻电路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(图3c)，可能会导致意外的辐射和辐射发射问题。

规则3:网交叉分割

有时，PCB设计人员可能会在高速走线参考平面中引入分裂。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，更高的环路电感和EMI问题。不建议使用分路，但在不可避免的情况下，如图4b所示，在分路上安装一个拼接电容，可以提供高频返回电流路径，而不会在分路上产生太大偏差。这些电容器应尽可能靠近网络交叉点。

图4:参考平面中存在分裂时的返回电流路径

让我们在SIwave EMI扫描仪模拟示例中使用此规则来说明分裂的影响。

网络交叉分割示例:仿真及与实际测试需求的关系

在图5的PCB示例中，EMI Scanner中的网交叉分割规则确定了两个点，在这两个点上，网SPI1_SCK穿过参考平面中的两个不同的分割，并将其报告为违规。

图5:EMI Scanner报告的SPI1_SCK违规

为了便于分析，我们创建了两对电容(值为0.1μF)(每对电容都有两个数字)，如图6所示:

图6:拼接电容创建横跨分割

我们在引入电容器前后用SIwave进行了近场分析。在净SPI1_SCK穿过分割的区域，结果如图7a/7b所示为前条件，如图7c/7d所示为后条件。

图7:引入电容前后的近场@ 828.46 MHz和162.45 MHz

电磁干扰扫描器中的违规行为消失了，近场图显示水平降低。

通常，汽车部件在1米的距离上根据CISPR 25的辐射排放要求进行测试。图8显示了在30 MHz - 1 GHz频率范围内，该PCB在一米距离上模拟远场的对比分析。请注意，拼接电容器的加入使发射水平降低了5 - 10db。如果我们考虑CISPR 25的两个限值进行简化分析，我们看到5类峰值限值为28 dBμV/m @ 41 - 88 MHz (TV Band I)和35 dBμV/m @ 142 - 175 MHz (VHF)。在没有拼接电容的情况下，PCB显示不符合这些频率范围。

图8:1米辐射排放比较

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

SIwave的EMI扫描仪在PCB级上的模拟可以早期识别此类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网站上的其他视频Youtube频道．