確保電磁（EMI）電阻和EMC兼容性是設計PCB時的關鍵，且在多個應用中遵守標準至關重要。EMI/EMC法規規范電子器件的電磁輻射發射和敏感性，確保它們在預期環境中和諧工作，不干擾其他設備。本文深入探討通過應對PCB設計師在專業領域中復雜挑戰，實現和保持合規的高級策略和考慮因素。

特定情境下的電磁干擾和電磁兼容性問題

EMI指的是電子設備無意中產生的電磁噪聲，這種噪聲可能干擾附近設備的運行。相反，電磁兼容性（EMC）確保設備運行不受外部電磁噪聲影響。

PCB設計師必須考慮各種電磁噪聲來源，尤其是在法規嚴格的領域工作時。噪聲可能來自點火系統和電動機（汽車）、雷達系統和通信設備（軍用和航空）、高壓電力系統和成像設備（醫療）。確保在嘈雜環境中的理想運行對作人員及他人的安全至關重要，因為故障可能導致災難性損失或安全受損，甚至造成傷害。

區分集總電路和分布電路至關重要，因為設計者在處理集總電路時很少遇到EMI問題。相比之下，分布式電路——即上升時間相對于沿信號線傳播時間較短的電路——需要精心規劃以緩解典型的EMI問題，如振鈴和信號反射。在模擬電路中，區分基于信號波長和電路板材料。仿真對于判斷設計中的器件和傳輸線是否可能遭受EMI影響至關重要。然而，經驗法則是，設計師通常可以假設幾乎所有現代應用中分布式傳輸線具有短邊上升時間和長度超過幾毫米的線路。

回流路徑不足是電磁干擾問題的根源

PCB 設計中，諸多干擾問題的根源都在于電流回流路徑不足。走線中的電流會感應產生磁場，該磁場會向傳輸線的上下方輻射；而回流電流始終會沿著電感最低的路徑流動。位于電路板表層的走線，其感應磁場會散布在 PCB 周圍的空氣中，有可能對附近的元件與電路產生噪聲干擾。

為緩解這類問題，設計師可設計短距離、低阻抗的電流回流路徑。例如，采用帶狀線結構，將關鍵的分布參數傳輸線布設在 PCB 疊層內層的兩個合適回流平面之間。無論傳輸線采用帶狀線還是微帶線結構，走線都必須始終布設在合適的參考平面上方，或靠近回流線，以此將電磁干擾問題降至最低。

這張圖展示了磁場在微帶線中與帶狀線傳輸線中的傳播方式。

高頻傳輸線的接地策略

保障分布參數傳輸線下方的參考平面保持完整，對于抑制電磁干擾同樣意義重大。否則，這些走線可能會變成無意的輻射天線，向外發射電噪聲。

更重要的是，高頻雙絞線與總線線路必須始終布設在合適的電流回流路徑上方，以防止配對線路或相鄰總線線路之間出現串擾。這一點在高頻場景中尤為關鍵 —— 高頻狀態下，走線周圍的回流電流區域會變得更窄。若因某些原因，無法將這類傳輸線布設在合適的參考平面上方，設計師則必須在總線線路之間布設合適的參考走線，為分布參數線路之間提供充足的回流路徑。這種方法雖非最優方案，但能夠有效降低相鄰走線之間的電磁干擾。

歸根結底，設計的核心目標在于：降低分布參數線路與合適回流路徑之間的電感，同時提高易受干擾走線之間的電感，避免相互干擾。雖然加寬走線能夠降低電感，但將傳輸線布得更靠近合適的參考平面，對抑制電磁干擾的效果要顯著得多。

從這個角度出發，設計師應先劃分出電路中的各個子電路模塊，再采用緊湊布局，將功能相關的元件集中放置。這樣做有助于縮短各元件之間的連接路徑，避免傳輸線因過長而成為分布參數線路。在這種情況下，設計師可將形成的集總參數走線布設在頂層，并使其靠近合適的參考平面，從而減少過孔帶來的損耗。

元件選型對電磁干擾的影響

在減少電路中EMI時，元件選擇可能不是固有的選擇。然而，類似于回路電流在走線中傳播，IC引腳上的信號也會通過最低電感路徑返回。因此，如果設計師可以在類似器件或封裝之間選擇，應選擇能在封裝布局中均勻分布參考引腳的，這樣鄰近引腳的信號有更大幾率返回合適的參考引腳，而不是耦合回其他鄰近引腳。

回波引腳不足會影響元件性能和噪聲。

子電路布局與隔離接地平面

設計師應依據多種維度劃分子電路，例如模擬 / 數字屬性、電壓等級、工作頻率等。在同一子電路組內，元件之間的連線應盡可能縮短，以獲得理想的電磁干擾抑制效果。不過，通常情況下，僅在有充分合理的理由時，才建議在這些區域內分割接地平面。若要抑制噪聲在不同子電路組之間傳播，一般來說，僅分割電源平面就能取得更理想的效果。同理，設計師不應在接地層布設導線，尤其是在傳輸易受干擾的模擬信號時。此外，僅在低頻電路中，才建議使用零歐姆電阻。

相較于在子電路之間分割接地平面，設計師更應優先采用物理隔離的方式，在 PCB 上分隔不同子電路模塊。根據經驗法則，子電路之間的間距應約為走線與其電流回流路徑間距的 20 倍，以確保為所有子電路組的回流電流預留出充足的空間。

過孔對電磁干擾的影響

從電磁干擾的角度來看，僅使用單個過孔，將傳輸線從參考平面的一側耦合至另一側，并不會產生不良影響 —— 因為磁場可通過該過孔耦合至同一平面的另一側。

若走線需要跨越多層不同的參考平面，設計師則應在信號過孔旁增設一個過孔，用于連接兩個參考平面。這樣做能夠提供一條明確的低阻抗回流路徑，從而最大限度地減少磁場擴散與電磁干擾。對于敏感的模擬電路，可能需要在信號過孔周圍布設多個參考過孔，形成磁場屏蔽屏障。

這種方案在高密度 PCB 布局中可能不具備可行性。對此，設計師可將同一子電路的多個信號過孔集中排布，并在其周圍布設多個參考過孔，以此約束磁場的擴散范圍。當信號線路需要從參考平面跨越至電源平面時，通常需要增設電容來抑制低頻噪聲；而高頻噪聲的抑制，則可通過在 PCB 疊層設計中，將參考平面與電源平面緊密靠近來實現 —— 理想間距應控制在 8 密耳以內。最后，在高頻模擬電路中，使用縫合過孔也有助于抑制電磁干擾。

物理屏蔽的作用

金屬外殼包圍著一組元件或整個電子設備，將電路的磁場保持在設備內部，并通過法拉第籠保護其免受外部影響。然而，將參考平面連接到機箱并不自動提升電磁干擾的抵抗力，耦合器必須設計得當，避免產生相反效應，加劇電磁干擾問題。

結論

管理電磁干擾（EMI）對PCB設計至關重要。工程師必須關注電流回流路徑，利用短且低阻抗的路徑，并優化走線路由，特別是針對分布式輸電線路。使用條帶線、在合適回程上方布置雙絞線和母線，以及在PCB上物理隔離子電路等策略，都有助于最大限度地減少電磁干擾。

零件選擇會顯著影響EMI，而IC封裝內參考引腳的布局也會影響信號回波路徑。根據模擬/數字、電壓和頻率方面識別子電路至關重要，且組內連接長度應保持在最小。避免在子電路內分割接地平面，只有在必要時才拆分電源平面以減少噪聲。

在跨參考平面耦合傳輸線時，設計者應使用額外的通孔以形成明確的低阻抗回波路徑，并考慮多重參考通孔以應對靈敏的模擬電路。金屬外殼如法拉第籠，在器件內儲存磁場，但連接參考平面與機箱需要謹慎設計以避免加劇電磁干擾（EMI）問題。

總體而言，設計者應物理隔離子電路，采用正確的接地技術，并優化傳輸線路由以最大限度減少電磁干擾。此外，戰略性零件選擇和精心設計的布局考量有助于實現并保持PCB設計中的EMC合規性。