掌握 PCB 设计中的 EMI 控制之面向 EMC 的元件布局

由 judy 提交于周五, 13 六月 2025 - 14:42

博客作者：Dario Fresu

在 “掌握 PCB 设计中的 EMI 控制” 系列的第二篇文章中，我们将深入探讨维持低电磁干扰（EMI）的关键概念之一。

电路板分区（又称电路板分割）是一种用于组织印刷电路板（PCB）不同电路部分并使其相互隔离的方法。这一技术可提升电路板的整体性能，尤其是在 EMI 控制方面。它不仅有助于减少电磁干扰，还能增强 PCB 设计的信号完整性。

这些技术背后的原理包括：

1. 约束高频数字信号的高能量成分。

2. 避免电路板内不同类型电路之间的共阻抗耦合。

3. 减小电流环路面积以降低辐射，并提升对外部干扰的抗扰度。

高速信号与低速信号及其谐波

第一个核心概念涉及控制快速切换信号产生的高能量谐波成分，以及其电流随时间变化的速率。电流变化速率越高，信号中的谐波能量越强，辐射风险也随之增加。

第二个概念是：信号的返回电流会随信号频率发生变化。这是因为信号传播过程中遇到的阻抗不仅包含导体的电阻，还包括电容，尤其是环路电感。随着信号频率升高，阻抗的感性分量（与频率相关）会显著增大。

返回路径的差异

由于电流总是趋向于低阻抗路径，因此需要明确：当信号频率升高时，返回电流会紧密跟随信号电流，以最小化电感环路；反之，在低信号频率下，电感影响减弱，阻抗的阻性分量占主导地位。

此时返回电流会扩散到导体表面以寻找最小电阻路径。对于 PCB 设计者而言，关键在于：返回电流流回源端的路径取决于信号频率。

图 1 - Altium Designer 中基于频率的不同返回电流路径示例

作为 PCB 设计者，我们的任务是最小化这些返回电流之间的干扰，避免可能导致电磁辐射的共阻抗耦合。为此，可在 PCB 中划分特定区域或分区，每个分区专用于特定类型的电路。这也能缩小电流环路，减少差模电流产生的辐射。

或许有人会尝试通过分割返回参考平面（RRP）来进一步隔离不同电路的返回电流路径，但这一做法不符合 EMC 标杆实践 —— 因为它会在两个金属区域之间产生电压差，形成类似天线的结构，进而引发电磁辐射。

图 2 - Altium Designer 中错误的平面分割示例

正确的解决方案是采用完整的低阻抗返回参考平面，使返回电流能够找到优选路径流回源端。该平面不应存在切口、分割或大的间隙，以免成为共模噪声源。元件布局应根据电路类型和功能划分为不同的独立区域：

对于混合信号电路板，典型的分区包括数字区、电源区、模拟区、输入 / 输出（I/O）区，必要时还可设置滤波区。例如，数字区应远离其他元件。尽管返回电流会紧密跟随信号走线，但信号谐波中的高能量成分仍可能更有效地辐射，并与电路板的其他区域耦合。

典型案例是时钟信号耦合到电路板其他部分的网络（如电源和模拟区），而这些区域可能连接电缆，电缆会充当天线，加剧辐射。

电缆形成的天线结构

输入 / 输出区至关重要：一方面需限制噪声注入电缆，另一方面需通过滤波技术和屏蔽进一步隔离，以减少外部干扰或抑制电路板的噪声辐射。布局时必须考虑电缆及周围设备或结构。数字区应远离 I/O 区域，理想情况下位于电路板中央而非边缘，避免高能量谐波耦合到电缆或从边缘辐射。

图 3 - Altium Designer 中错误的平面分割示例.png

图 3 - Altium Designer 中错误的平面分割示例

此外，建议将所有输入 / 输出电缆集中布置在电路板的一侧而非多个边缘，以避免电缆之间的电压差，防止形成类似天线的结构（这类结构会加剧数字信号或噪声的辐射）。

结论

遵循上述建议，可有效减少辐射发射，并限制外部干扰耦合到设计中。

在下一篇文章中，我们将探讨如何选择 PCB 叠层结构，以提升 EMI 性能并降低风险。

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文章来源：Altium