原创 (多图) EMI/EMC设计讲座（七）印刷电路板的EMI噪讯对策技巧

       随着电子组件功能提升，各种电子产品不断朝向高速化方向发展，然而高性能化、多功能化、可携带化的结果，各式各样的EMC(Electro Magnetic Compatibility)问题，却成为设计者挥之不去的梦魇。

       目前EMI(Electro Magnetic Interference)噪讯对策，大多仰赖设计者长年累积的经验，或是利用仿真分析软件针对框体结构、电子组件，配合国内外要求条件与规范进行分析，换句话说电子产品到了最后评鉴测试阶段，才发现、对策EMI问题，事后反复的检讨、再试作与对策组件的追加，经常变成设计开发时程漫无节制延长，测试费用膨胀的主要原因。

       EMI主要发生源之一亦即印刷电路板(Printed Circuit Board，以下简称为PCB)的设计，自古以来一直受到设计者高度重视，尤其是PCB Layout阶段，若能够将EMI问题列入考虑，通常都可以有效事先抑制噪讯的发生，有鉴于此本文要探讨如何在PCB的Layout阶段，充分应用改善技巧抑制EMI噪讯的强度。
 
       测试条件

       如图1所示测试场地为室内3m半电波暗室，预定测试频率范围为30MHz~1000MHz的电界强度，依此读取峰值点(Peak Point)当作测试数据(图2)。

       图3是被测基板A的外观，该基板为影像处理系统用电路主机板，动作频率为27MHz与54MHz，电路基板内建CPU、Sub CPU、FRASH，以及SDRAM×5、影像数据/数字转换处理单元、影像输出入单元，此外被测基板符合「VCCI规范等级B」的要求，测试上使用相同的电源基板(Board)与变压器(Adapter)。

　
       首先针对被测基板A进行下列电路设计变更作业:

       ‧CPU的频率线(Clock Line)追加设置EMI噪讯对策用滤波器(Filter)，与频率产生器(Clock Generator)( 图4)。

       ‧影像输出入单元追加设置Common mode Choke Coil(DLWxxx系列)(图5)

       ‧各IC电源输入线的Bypass Condenser与电源之间，追加设置Ferrite Beads(图6)。

       ‧追加设置Bypass Condenser，使各IC的所有电源脚架，全部从基板电源层(Plane)通过Bypass Condenser提供电源(图7)。

       各种EMI噪讯对策

       a.EMI噪讯对策用电容

       接着进行EMI测试获得图8的测试结果，根据测试结果再进行噪讯抑制设计作业，在此同时将设计变更的被测基板A的设计数据读入EMI噪讯抑制支持工具，并针对支持工具指出的主要部位，例如频率线、Bus导线Via周围，分散设置EMI噪讯对策用电容(图9)，主要原因是信号导线的return路径如果太长或是非连续状态时，EMI噪讯有增大之虞，为了缩短Return路径，因此设置连接电源与接地的电容。

       图10～图13是改变上述电容容量时的EMI噪讯测试结果，根据测试结果显示，依照图14的频率范围设置的大容量EMI噪讯对策用电容DuF，可以抑制低频噪讯Level。虽然设置电容增加PCB的容量负载，不过为了要抑制噪讯，设置在各部位的电容频率特性，却可以发挥预期的EMI噪讯抑制效果。

       实际应用时只要在频率导线、Bus导线等高频导线 图案(Pattern)附近、形成CPU、Return路径的内层面(Plane)的分断附近、形成噪讯出入口的基板侧面附近分散设置EMI噪讯对策用电容，就可以消除该部位周边的噪讯。

       对各式各样基板外形、组件封装、导线的PCB而言，只要以一定间隔设置EMI噪讯对策用电容，同样可以获得分散性的噪讯抑制效果。
　
b.改变基板的层结构

       接着针对被测基板A进行层结构改善，制作图15所示6层Built up被测基板B，它是利用「Pad on Via」与「雷射Via」加工技术，将上述被测基板A的外层信号线导线变成内层，使Return电流可能流入接地Plane，外层当作接地Plane包覆所有信号层。

       改变被测基板结构主要理由是一般4层基板的Return路径，通常都设有可以通行电源Plane或是最短距离接地，因此在贯穿部位经常造成Return路径迂回问题，如果信号导线包覆接地Plan e，如此一来大部份的Return路径会流入接地 Plane，进而解决Return路径迂回的困扰，被测基板B就是根据上述构想制成 ，因此Return路径在PCB整体减少30%，同时缩减信号图案与Return路径构成的电流Loop距离，进而达成EMI噪讯抑制的目的。图16是被测基板B的各层结构图。

　
       图16是被测基板B的EMI噪讯测试结果，根据测试结果显示包含利用外层接地Plane的遮蔽(Field)结构，与回避Return路径迂回的设计确实具有抑制EMI噪讯的效果，不过实际上各式各样的电路基板要作如此的层结构变更，势必面临制作成本暴增的困扰，尤其是所有信号导线都将Return路径列入设计考虑的话，几乎无法作业，因此Layout阶段尽量避免高频信号导线透过Via作布线，同时必需在该信号导线邻近的层设置接地Plane，藉此防止Return路径迂回或是分断，接地Plane之间以复数Via连接，Return路径利用复数Via作理想性的归返。

　
       c.设置多点Grand接地

       Return电流流动时PCB内的接地Plane会产生电位差，该电位差往往是EMI噪讯的发生原因之一，而且可能会通过PCB形成所谓的二次噪讯，因此将接地Plane与金属板作多点连接(图18、图19)，使PCB的侧面与中心位置得电位差均匀化，同时降低接地Plane本身的阻抗(Impedance)并抑制电压下降。

       图20是多点接地后的EMI测试结果，由图可知低频领域EMI噪讯强度略为上升，不过200MHz以上时EMI噪讯受到抑制，这意味着多点接地的有效性获得证实。

       d.铺设Shield

       图21是在基板侧面铺设Shield的实际外观，具体方法是在基板侧面粘贴导电胶带，试图藉此抑制基板内层信号线、Via与电源Plane的噪讯，接着再与外层接地Plane连接，测试基板侧面的EMI噪讯遮蔽效果，图22是基板侧面铺设Shield的EMI测试结果，根据测试结果显示200MHz以下时EMI噪讯强度有下降趋势，甚至符合规范的Level，证实基板侧面铺设Shield确实可以抑制EMI噪讯。

       实际制作PCB时在基板侧面铺设Shield，同样会面临成本上升的质疑，类似图23在基板侧面附近设置接地Plane与连续性贯穿Via的新结构，除了可是解决成本问题之外，还可以有效抑制基板侧面的EMI噪讯强度；图24是结合以上各种EMI噪讯对策的PCB测试结果。

       综合以上介绍的EMI噪讯对策，分别如下所示:

       ‧设置EMI噪讯对策用电容

       ‧回避Return路径迂回的基板层结构设计

       ‧设置多点Grand接地

       ‧基板侧面包覆Shield

       实际上PCB得EMI噪讯对策会随着组件封装、导线、基板外形、层结构，与筐体限制出现极大差异，因此本文主要是探讨如何在PCB Layout阶段，充分应用EMI噪讯对策手法，根据一连串的对策中找出最符合制作成本，同时又可以满足规范要求的方法。