PCB电磁兼容的设计方法介绍

　　关于PCB电磁兼容的要求，目前世界上大多的先进国家，都已经有管制的法规并有相关的符合要求的单位，若产品无法符合要求规定，往往无法销售到该地区的市场，因此多数的电子产品，在销售前都必须经过PCB电磁兼容的测试，若无法通过则需要经过适当的修改，来符合相关的规定。

　　本文主要是说明，在电子产品设计的阶段，如何考虑避免电磁干扰的产生，和增加产品耐干扰的程度，从许多的经验得知，若能在设计开始的阶段，就能适当的做好PCB电磁兼容的防制，往往可以节省事后大量的修改时间和金钱的，尤其在现代产品汰换期非常短，若不能快速的通过EMC的测试，很容易影响到市场上的高机。

　　目前市面上介绍EMI&EMC相关的书籍，也算是林林总总，但是在实务运用上，总是会感觉有一段的差距，许多的读者虽然将一些经典的书籍读的很彻底，但是一面临实际产品无法符合EMI要求，或开始作产品设计时，都会有一种不知从何下手的感觉。

　　太多的重点反而没有重点，太多的理论反而没有理论?，所谓执简御繁， ?知其要者，一言以终，不知其要，流散无穷?，为使读者能有一清楚的认识，与实务上的充分掌握，笔者参考 Isidor 于1992年在Compliance Engineering 杂志所发个的Designing for Compliance文章，以讲义的方式作一详细的解说与应用的原则，期使读者能真正深入的了解一些EMI的设计原理与方法。

　　该文虽然距今已有八年多的历史了，在这八年的期间，个人计算机从286的时代已经进步到现在迈入GHz的时代，进步可以说非常的神速，但是我们回过头来看，一些处理PCB电磁兼容的基本原则与方法还是没有变的。能够掌握住这些基本的原则与方向，往往才是处理电子产品噪声干扰的最有效的啊具，至于一些片段式的重点整理或括要，有时反而会使得啊程人员在设计时，有不知所从的感觉，这也是本文要在一些简单的原则上，作较深入的探讨与分析的。

　　二?电磁辐射的说明

　　电磁波的辐射，是产品在做数字运算处理时一定会产生的，通常来讲都是无法避免的，因为从谐波的角度来看，如果主波是20MHz，一定会有相关的谐波出来，我们如何去控制不要的信号（unwanted signals），一般主要有两个方法，这两个方法也是我们目前最常用的。

　　第一个方法就是包覆抑制（containment），这个方法就像是用一个罐头包装，也就是用屏蔽（shielding）的方式把它包装起来，第二个方法就是电路板的设计，目前我们时常就是从这两个观念上去着手。

　　利用包覆抑制的对策技巧，其好处就是不会影响到产品的功能（Function），因为你把它包起来，根本不会动到电路板上的一些啊作的组件和信号，但是其缺点就是制造成本（cost）比较高，而且可靠度可能比较会有问题，因为可能会因为每次碰撞一下，而影响到其接触的效果，例如一般最常见的笔记型计算机（notebook PC）可能会因为摔一下或重物压过，噪声就会有很大的变化，可能由可以符合到无法符合。

　　而电路板设计（PCB Design-in）的好处，由于是在电路板Layout时就预先把间题考虑进去，因此其对策的可靠度比较高，而费用则因为是事先的设计，所以往往没有额外的费用产生，当然在功能（Function）上有时比较可能会受到影响，因为在抑制噪声时，很可能同时降低产品的震荡特性。

　　在实际测试对策时，我们这两个的方法都会考虑进去，一般在刚开始修改时一定会先考虑用包覆抑制的方法，然后才考虑电路板上的干扰抑制修改，因为电路板通常已经固定了，要再修改往往比较困难，所以我们会从外壳上先处理，也就是从屏蔽（Shielding）和接地（Grounding）的观点来考量，看它的接触与外壳或机座够不够好，这个处理完我们才继续处理电路板的修改，也就是说如果用屏蔽和接地的方法改不下来，我们才开始处理电路板的修改。

　　一般在市面上大多数电磁干扰的书籍，都会比较喜欢介绍这个电路板设计的理论，其实理虽然很重要，不过在实际产品修改上，包覆抑制反而是最快的?最有效的，因为良好的屏蔽只要处理适当就能降低噪声10dB以上，可以说效果最快，但是电路板的处理变量则比较大，也就是说，就算Re-layout 也无法保证马上好，可能要先花个五万元洗板子，然后再焊上组件，万一不好怎幺办？

　　所以在对策处理的观念上，一定要先把包覆抑制的技巧作的很熟，这个如果还没有熟练，就先不要去处理电路板的修改，因为整个修改的步骤，必须是按步就班的处理，当然在本篇的文章中会先介绍电路板处理的这个观念，这样可以做为基本的基楚，可以帮助读者知道一些原理，知道一些问题的原因，但是在实际对策上则是用屏蔽和接地的处理比较多。

　　所谓“空穴不来风”，通常要记住这个观念，会有发射（emission）的产生，那一定会有来源（source），基本上我们应该叫做天线（Antenna），一定要有天线才会有发射，这就是"空穴不来风"，所以本文中将会说明的是，有那些辐射来源的存在，这样我们知道这些来源以后，就能够去控制它，而不是消灭它，因为噪声没办法消灭，整个能量是不灭的，电磁干扰的抑制主要是经由良好的控制方法，不使噪声能量辐射到空中或传导到电源线上。

　　三?造成EMI基本的原因

　　造成EMI噪声辐射大部分的原因，一般来说就是共模（Common Mode），这就是大家常听到的共模的辐射，由于高频电流的来回瞬时变化，而有磁生电，电生磁的现象，所以有了交流电的特性，电场为什幺会跑向前跑，这是因为磁场变化以后，会产生一个电场，电场随着时间变化以后又会产生磁场，这样交互交替，就会造成一个会跑的电磁场。

　　所以说磁生电，像是发电机就是用磁铁转动生电，电生磁，电磁铁也是一样，它的电流只要是瞬时（transient）来回变化就会造成这样的情形。

　　这些所产生的噪声会造成有意义潜在的射频（RF）干扰，大部分会在电源供应器（Power Supply）的电路板上的走线（trace），因为走线上有电感，由于电感的效应，使得导线直的电感会有射频电位的发生。

　　为什幺电源供应器这幺重要呢？因为对所有的周边来讲，以PC而言，电源供应器有5V和12V的电压供给所有的组件使用，所以系统里各各组件上的噪声，如果以电源供应器的角度来看，所有的噪声都会回流来这边，每一个都会经过电源线回来，这就是共模（Common Mode）.

　　什幺是共模呢？各各不同的噪声都走同一个方向，所以噪声全部都会回流到电源供应器上，也就是所有主板（Mainboard）上的噪声都会回流，所以电源供应器变成一个噪声的集散区，这就像是一个菜市场，菜市场也就是一个共模，水果?蔬菜最后都集中到菜市场来卖，电源供应器也就是一个菜市场，对所有的设备来讲，它就是一个噪声集散地，因此就有了共模的产生。

　　因为所有的噪声最后都会流到电源供应器上，供应各个组件的电源噪声会沿着电压（Vcc）跟接地（Ground）回到电源供应器，这个噪声我们就叫共模噪声，因为从电源供应的角度来看都是同方向。

　　一般数字产品的简单的结构，产品的主机透过周边电缆线连接到周边上，如果把其转成一个等效电路来看，在电路部分就相当于一个来源（source），而I/O Cable就相当于一个天线。

　　来源（source）可以分成两种的来源，一个就是所谓的共模电压（Vcm），另一个就是异模电压（V d/2），一般而言，异模的电压大多是产品电路设计时所使用的信号电压，而共模的电压，则大多是信号高频的谐波噪声，详细说明如下：

　　异模信号（Differential Signals）

　　其特色为：

　　（1）传送所要的信息

　　（2）不会造成干扰，由于异模电流所产生的场强彼此方向相反且相互抵销。

　　共模信号（Common Signals）

　　其特色为：

　　（1）是电缆辐射的主要来源。

　　（2）没有特别可用的目的。

　　（3）使得电缆成为一个单极的天线。

　　解决EMI的问题，第一个要处理哪边？

　　通常首先我们要解决EMI的目标，是电源供应器上的共模噪声，因为所有噪声都会流到电源供应器上，也就是说我们在修改产品噪声的第一件事，要看电源供应器的噪声是否很高，因为很多人修改噪声的步骤很容易疏忽这边，因为他们一看到噪声很高，他会分析产品中的Clock是12MHz或24MHz，然后开始改它，这往往会浪费了很多的时间，而且有时也影响了产品的特性功能。

　　很多噪声只要把电源供应器的接地（Ground）处理好，这些噪声都会不见，这看起来似乎很神奇，有时可能无法相信它就是这样简单，所以一开始不要以为这个12MHz，24MHz或48MHz的谐波噪声是从震荡器出来，这个想法就EMI来说有时是错的，而要先处理电源供应器的共模噪声，这个方向要先掌握。

　　在后继的文中会讨论到怎幺处理的原则，就是说实际怎幺对策，当然要先有一个观念，观念不能错，观念一错就很容易找不到问题，而愈修改愈不容易无将噪声抑制下来。

　　四?产生辐射的条件

　　要让辐射很有效率的产生在某一个频率，其条件是什幺？

　　条件是必须要有一个天线，而这天线的长度为何？

　　以100MHz的频率来看，能够满足100MHz的适当长度是在λ /2是1.5m，也就是说，假设产品噪声辐射主要都在100MHz，可能你的产品天线长度是1.5m，或是λ/4就是0.75m，这代个产品内，可能有这个天线存在，才会造成100MHz的辐射。

　　假设你发现产品噪声是在100MHz的频率最高，结果我们发现有一条连接线正好是0.75m，如果我们换一条比较长的线1m，这噪声会变怎样呢？此时原来最高噪声频率会降低，但是其它旁边的频率噪声反而会升高，这就是在实务测试上常常讲跷跷板，整个的能量是不会变的，但是它反应出来的对应频率，会随天线长度不一样而改变，这点是EMI最重要的观念，也就是修改EMI一定要了解这个原理。

　　这也是为什幺有时我们会发现在对策时，用不同的电容舅100p， 200p， 50p也会有这个跷跷板效应，因为电容改变的就是天线的长度，加个电容本来天线是100公分，如果这边用100p， 300p则天线的等效长度就会不一样，有时换不同的电容，有的频率噪声变低，但是有的频率噪声反而升高，为什幺换电容会有跷跷板的效应呢？它的原理就是这边，因为它是改变整条线的长度，也就是电气上的等效长度。

　　从电气的等效长度来看，我们加电感以及加陶铁环（Core）为什幺有效？陶铁环的作用是个电感，L和C在线上都会改变它的等效长度，加陶铁环为什幺能把噪声抑制下来，也就是说它的天线变短了，我们等于在线上加一个电感，它真正作用就是在这边，使得整个天线变短了。

　　所以如果不要加电容，也不要加电感，那要如何处理呢？如果把它缩成50公分， 噪声可能很快就降下来，不用任何对策，只要把线改短50公分，如果在产品设计上能接受的话，这就是一个最好的方法，当然有时线太短不能符合产品功能的要求，或是组装上有困难，这时就要另外用别的方法来处理，例如用良好的屏蔽线取代。

　　在修改上有时就是把某些连接线长度降低，整个噪声都会降下来，不是只有某个频率，也就是我们知道EMI的原理，你来改它很快，不知道的话，往往一直在Clock上处理，改了老半天还是改不下来，通常在一般书上讲的一些方法和理论，如果设有印证过往往都是一个纯理论，有时无法用来作为实务对策的参考，最好要实际去做做看。

　　例如某些扫描仪（Scanner）的产品，因为他有一个弹簧管或排线连接到扫描仪上，这一排的导线，通常做的比较长，这样比较好组装，我们如果缩短，噪声会降多少，降在哪边呢？这些都可以尝试去做看看，只要找出来这个噪声是哪个线辐相似的，那幺要抑制这个噪声就不是很困难了。

　　怎幺找？如何找出哪条线会辐射？一般常用的方法可以用三个Core的方式来找，如果你加三个Core在某条线上而噪声降低或消失，再把Core拿掉噪声又升高，那幺就表示这条线就会辐射。

　　然后我们就可以算它的λ/2在哪边，不管噪声的频率100MHz，200MHz，或300MHz要先算其λ/2是多少，假设产品噪声在300MHz不能符合规格要求，要找出原因，可以把机器打开来看看有没有75公分长的线，或者是λ/4亦即40公分长的线，有时候处理一些问题我们要使用这个方法，利用理论的计算，找出噪声频率的相对应线长。

　　整个噪声的产生，如果没有天线存在的话，噪声就不会辐射，既然它存在，我们就可以把它找出来，怎幺找呢？一个就是用理论计算，另外一个方法是实际用仪器测量。

　　用理论计算的方法在一开始时不会考虑 这样做，大部分会先用仪器测量的方法来找出问题，不过只要把EMI原理了解清楚，对于一般的噪声问题应该都能够修改下来，整个重点说明如下，既然噪声是辐射在某一定的频率，就一定有一支天线相对应，只是不容易找到而已，电磁干扰修改的工作就是找出这支天线，降低它的天线效应或是把它隔离，以使得噪声能符合相关的法令要求。

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