印刷電路板設計-在真實世界裡的EMI 控制

Dr. Archambeault 為IBM 之資深EMI 工程師，在EMI 之分析上有非常深入之 研究。我曾於2002 年初參加過其於馬里蘭大學開辦之一短期課程，受益良 多。同年8 月間於IEEE 研討會尋得並購買本書，特將之整理編譯以與大家 分享。 Bruce 上課之費用極為高昂，但確有其價值。我參加過其課程後曾與其聯繫 希望能促成其至台北開課，惜因時間、費用等因素未能實現，殊為可惜。但 花些時間研讀其著作，相信也可讓大家獲益不少。 本書內容闡述許多EMI 之基本觀念，對於EMI 工程師是很好的教科書。同 時對於相關之產品設計工程師，如電子、Layout、機構工程師，也是建立正 確EMI 觀念之教材。畢竟，好的EMI 產品設計是要各部分配合的。閱讀本 書可以知道要如何做好EMI 設計，更重要的是知道其原理為何，讓你不僅 可以知其然，更知其所以然。 ### 印刷電路板設計—在真實世界裡的EMI控制 #### 一、EMI/EMC設計簡介 ##### 1.1 EMI/EMC基礎知識 **EMI (Electromagnetic Interference)**，即電磁干擾，指的是任何能夠中斷、阻礙或降低電子設備效能的無線電波或其他電磁輻射的干擾現象。**EMC (Electromagnetic Compatibility)** 是指設備或系統在其預期的電磁環境中能正常工作，且不對該環境中的任何其他設備產生無法承受的電磁干擾的能力。 **EMI/EMC設計** 的目標是在設計階段就考慮到可能出現的電磁兼容性問題，通過合理的設計來確保最終產品能夠符合相關標準的要求，避免產品開發完成後因不符合EMC要求而進行高成本的修改。 ##### 1.2 EMI干擾源 EMI干擾源可分為兩類：**內部干擾源** 和 **外部干擾源**。內部干擾源通常是由電子設備內部的電子組件或線路所產生的；外部干擾源則是指來自電子設備外部的干擾，例如雷擊、電網波動等。 **內部干擾源** 包括： - 高速數字信號線路 - 電源線路 - 高頻晶體管 - 開關電源 **外部干擾源** 包括： - 雷電放電 - 電力網絡的突波 - 其他電子設備產生的輻射 ##### 1.3 電感Inductance 電感是衡量線圈或導體儲存磁場能量能力的物理量。在印刷電路板（PCB）設計中，電感的大小會影響到信號的完整性和電磁兼容性。 - **自感**：單個線圈或導體產生的電感，會影響信號線路的特性阻抗。 - **互感**：不同線路之間的電感，可能會導致串擾和信號失真。 ##### 1.4 接地Ground 接地面的正確設計對於減少EMI至關重要。良好的接地面可以作為參考點，有助於信號回路的穩定，減少電磁干擾。 - **單點接地**：所有信號回路都連接到同一個接地面，適合低頻應用。 - **多點接地**：高頻應用中，每個信號回路連接到最近的接地面，以減少回路面積和電感。 ##### 1.5 屏蔽Shielding 屏蔽是通過物理手段阻擋或反射電磁輻射的一種方法，以減少外部干擾進入系統，同時也減少系統內部信號對外界的輻射。屏蔽技術包括： - **金屬屏蔽罩**：用於封閉整個設備或特定部件，減少電磁輻射。 - **接地屏**：利用導電材料將信號線包裹起來，並與接地面相連，以減少信號線的輻射。 #### 二、EMC基本觀念 ##### 2.1 耦合作用之發生機制 耦合作用是兩個或兩個以上電路之間的相互作用，這種作用可以通過電場、磁場或者電磁場的方式發生。主要類型包括： - **電場耦合**：通過電場耦合引起的信號失真。 - **磁場耦合**：通過磁場耦合引起的信號失真。 - **電磁場耦合**：通過電磁場耦合引起的信號失真。 ##### 2.2 信號頻譜 了解信號的頻譜特性對於分析和控制EMI非常重要。不同類型的信號（例如脈衝信號、方波信號）具有不同的頻譜特性。 - **脈衝信號**：寬帶信號，含有豐富的高頻成分。 - **方波信號**：含有豐富的奇次諧波成分。 ##### 2.3 諧振效應 諧振效應是指系統在特定頻率下產生劇烈響應的現象。諧振效應在PCB設計中會導致信號失真和增加EMI風險。 - **串聯諧振**：在串聯電路中，電容和電感在特定頻率下抵消，導致輸出電壓放大。 - **並聯諧振**：在並聯電路中，電容和電感在特定頻率下抵消，導致輸入電流放大。 ##### 2.4 潛在的干擾源頭 了解潛在的干擾源頭對於有效控制EMI非常關鍵。潛在干擾源包括但不限于： - **數字信號**：高頻數字信號線路是最常見的干擾源。 - **開關電源**：開關電源因其工作方式而產生較大的EMI。 - **電纜和線路**：長線路和電纜容易受到干擾。 #### 三、電感是什麼？ ##### 3.1 電磁感應 電磁感應是指當通過閉合線圈的磁通量發生變化時，線圈中就會產生感生電動勢。這一原理是電感形成的基本機制。 ##### 3.2 互感 互感是指兩個線圈之間由於磁通量的變化而產生的感應電動勢。在PCB設計中，互感現象會導致串擾和信號失真。 ##### 3.3 自感Self-Inductance 自感是指由線圈自身磁場變化所產生的感應電動勢。自感影響信號線路的特性阻抗，進而影響信號的完整性和EMI特性。 ##### 3.4 區域電感Partial Inductance 區域電感是指PCB板上某個特定區域的電感值。對於複雜的PCB設計而言，理解不同區域的電感特性對於優化設計和減少EMI至關重要。 #### 四、接地之謎思 ##### 4.1 『地』這個名詞是怎麼來的？ “地”通常被認為是一個零電位的參考點，但實際上並非如此簡單。在EMI控制中，選擇適當的接地面是非常重要的。 ##### 4.2 當我們說『Ground地』時是什麼意思？ 在電子工程中，“地”不僅是一個零電位參考點，它還承擔著吸收和釋放電流的角色，並且需要考慮其在EMI控制中的作用。 ##### 4.3 『地』並不是一個電流槽 “地”並不是一個理想的電流槽，它會有電阻和電感，這些特性會影響信號的傳輸和EMI性能。 ##### 4.4 參考點策略 選擇合適的參考點策略對於控制EMI非常重要。根據應用的不同，可以選擇單點接地、多點接地或者混合接地策略。 #### 五、迴返電流設計 ##### 5.1 分開的參考平面 為了減少EMI，可以設計分開的參考平面，使得不同功能模塊的信號線路具有獨立的回路，從而減少串擾和EMI。 ##### 5.2 線路佈線變更參考平面 改變線路的參考平面可以進一步減少EMI，特別是在高速信號線路中，這對於改善信號完整性和EMI性能非常有效。 #### 六、控制EMI源頭–意圖之信號 ##### 6.1 有危險的信號(Critical Signals) 有危險的信號是指那些對EMI特別敏感的信號，控制這些信號對於減少EMI至關重要。 ##### 6.2 意圖信號(Intentional Signals) 意圖信號是指有意識地產生的信號，如RF信號等。合理設計這些信號的線路可以有效減少EMI。 ##### 6.3 意圖信號—環路模式 環路模式下的意圖信號會產生較大的EMI，通過設計合理的環路可以減少EMI。 #### 七、EMI源頭控制—非意圖信號 ##### 7.1 非意圖信號 非意圖信號是指在設計時未預期到的信號，這些信號可能會產生EMI。控制這些信號對於提高整體EMC性能非常重要。 ##### 7.2 控制來自於『非意圖信號-共模』之輻射干擾 共模干擾是指在同一信號線上同時存在的干擾，控制共模干擾是EMI控制的重要方面之一。 #### 八、對電源/接地平面去耦合 ##### 8.1 去耦合雜訊之源頭 電源線路上的雜訊通常是EMI的主要來源之一。通過在電源線路中加入去耦合電容可以有效減少雜訊。 ##### 8.2 去耦合電容之效果 去耦合電容的作用是提供低阻抗路徑給高頻雜訊，從而減少雜訊對其他線路的影響。 #### 九、EMC濾波器設計 ##### 9.1 濾波器設計概念 濾波器設計是EMI控制的核心技術之一。通過合理設計濾波器可以有效地減少EMI。 ##### 9.2 共模濾波器 共模濾波器專門用於抑制共模干擾，對於提高EMC性能非常有效。 #### 十、在EMC分析上使用信號完整性工具 ##### 10.1 意圖電流頻譜 通過分析意圖電流的頻譜特性，可以更好地理解其對EMI的影響，並進一步優化設計。 ##### 10.2 布線電流之去耦合分析 分析布線電流的去耦合效果可以幫助設計者找到最佳的去耦合方案，從而提高EMI控制的效果。 #### 十一、印刷電路板佈局Layout ##### 11.1 PC板的堆疊 PC板的堆疊設計對於控制EMI至關重要。通過合理的堆疊設計，可以減少信號線路之間的串擾和EMI。 ### 總結 本文詳細介紹了印刷電路板設計中的EMI控制相關知識點，涵蓋了EMI/EMC的基本概念、各種干擾源頭的控制方法、電感、接地、屏蔽等核心技術，以及使用信號完整性工具進行EMC分析的方法。通過這些內容的學習，可以幫助設計者更好地理解和解決在實際產品開發過程中遇到的EMI問題，提高產品的EMC性能。