博客作者：Dario Fresu

歡迎來到 “掌握 PCB 設計中的 EMI 控制” 系列的第四篇文章。在本文中，我們將探討電磁干擾（EMI）管理的高級要點，這些要點對高效 PCB 設計至關重要。

設計印刷電路板（PCB）時，核心挑戰之一是確保設計通過輻射和傳導發射測試。這不僅是滿足法規標準的關鍵，也能確保 PCB 在目標環境中正常運行，避免對其他設備和系統產生干擾。

同樣重要的是實現對外部和內部發射的抗擾性，這有助于確保最終產品的可靠性和性能。

圖 1：Altium Designer 中的 PCB 設計示例

設計抗 EMI 的 PCB時，需明確一個關鍵概念：輻射主要由電路中的電流變化而非電壓引起。這意味著所有電路都會因固有電流變化而不可避免地產生一定程度的電磁輻射，設計師的核心挑戰在于管理和控制輻射強度。

為實現更好的電磁兼容性（EMC），我們需聚焦于設計能有效約束和最小化電磁輻射的 PCB，這涉及處理兩種主要輻射類型：

差模電流輻射；

共模電流輻射。

圖 2：電路中的差模與共模電流（共模電流返回路徑未顯示）。參考：Dario Fresu

簡單來說，差模電流可視為通過不同路徑 “反向流動” 的電流，而共模電流則是沿電路路徑以相同 “公共” 方向流動的電流。

如何最小化差模電流輻射

差模電流是電路正常運行的基礎，它們在集成電路（IC）和元件之間流動，是 PCB 電路設計的一部分。

差模電流沿電路布局形成的環路流動，環路面積直接影響輻射水平：環路面積越大，輻射越強，且頻率越高，輻射也越顯著。

降低差模輻射的策略包括：

1. 減少走線中的電流；

2. 降低電流頻率；

3. 最小化電流環路面積。

然而，減少電流或降低頻率（策略 1 和 2）通常不切實際，因為可能顯著影響電路效率。最具實操性的方法是最小化電流環路面積，這也是 PCB 設計師可直接控制的關鍵因素。

圖 3：Altium Designer 中 PCB 電流環路示例

一種高效方法是在疊層結構中為信號走線配置緊鄰的返回參考平面，這可使正向和返回電流形成的環路面積極小化，從而抑制輻射。結合盡可能縮短信號走線的設計，能最大限度降低差模電流輻射。

當然，元件布局、減少信號串擾以及管理可能將噪聲傳遞到附近電纜的耦合機制，對減少輻射也很重要，但這些均屬于次要因素，核心仍是最小化電流環路面積。

這一技術直接針對差模電流輻射的根源，效果尤為顯著。

如何最小化共模電流輻射

設計師需關注的另一類重要電流是共模電流。與有意設計的差模電流不同，共模電流并非原理圖中的顯式設計元素，它們并非電路運行必需，主要源于設計中的寄生效應。

識別和控制這些寄生電流頗具挑戰性，因為其來源往往并不明顯。共模電流通常在差模電流流經電路中的寄生元件時產生。

圖 4：返回平面的間隙常為共模輻射的成因（Altium Designer）

這些寄生效應尤其存在于返回參考導體（通常稱為 “地” 或 “信號地” 導體）中。返回參考導體中出現寄生效應的問題，主要是因為在實際情況中，元件和導體并非完美無缺，與理想狀態相去甚遠。

例如，電路中的銅質走線不僅具有電阻，還表現出電感和電容特性，且這些寄生參數隨信號頻率升高而顯著影響電路。

與主要受環路面積影響的差模輻射不同，共模電流主要受導體長度和噪聲頻率影響（導體長度的影響在超過一定閾值后趨于穩定，本文暫不深入探討）。

對于電長度較短的電纜，共模電流輻射可建模為偶極子（或單極子）天線發射，而非環路天線發射，這一建模差異影響輻射的產生與控制方式。

從源頭有效降低共模電流輻射的策略包括：

減少共模電流；

降低共模電流頻率；

最小化導致共模輻射的導體長度。

關鍵策略是縮短信號走線長度。盡管受系統限制無法縮短所有導體，但設計師應盡可能在可行范圍內減小走線長度，這對抑制 PCB 輻射（尤其是在信號頻率持續升高的趨勢下）至關重要。

使用實心銅平面作為返回和參考平面是另一有效技術，可降低返回電流路徑的電感，從而減少驅動共模輻射的電壓源。

完整的銅平面（無分割或切口）通過為返回電流提供低阻抗路徑，有助于維持信號完整性并降低 EMI。

如何通過縫合過孔最小化輻射

在具有多個返回參考平面的多層疊層結構中，縫合過孔是減少共模輻射的推薦技術。縫合過孔連接不同的返回參考層，確保其保持相同電位，從而減少驅動偶極子（或單極子）天線模式輻射的共模電壓源，顯著降低雜散噪聲和 EMI。

圖 5：Altium Designer 中的縫合過孔示例

除減少共模輻射外，縫合過孔還為疊層中跨層傳輸的信號提供可靠的電流返回路徑和參考電位，防止平面間產生輻射 —— 這類輻射不僅影響 EMI，還會損害信號完整性和 PCB 整體性能。

結論

設計有效控制 EMI 的 PCB 時，工具選擇至關重要。先進的 PCB 設計軟件可幫助管理各種設計參數，確保電路板以高精度和效率完成設計。這些工具是應對復雜設計要求、驗證 EMI 抑制策略正確實施的關鍵，最終實現更可靠、高性能的 PCB。

Altium Designer 可無縫集成到設計工作流程中，提供充分發揮專業能力所需的靈活性和先進功能，讓高效 EMI 控制策略的落地更加輕松。

在下一篇文章中，我們將探討電源分配網絡（PDN）的去耦策略，為設計實踐提供更多洞見。

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Altium有限公司隸屬于瑞薩集團，總部位于美國加利福尼亞州圣迭戈，是一家致力于加速電子創新的全球軟件公司。Altium提供數字解決方案，以最大限度提高電子設計的生產力，連接整個設計過程中的所有利益相關者，提供對元器件資源和信息的無縫訪問，并管理整個電子產品生命周期。Altium生態系統加速了各行業及各規模企業的電子產品實現進程。