PCB布局EMC分析
理论：环路与电缆就是天线
概述
为减少电路板辐射噪声，布局上最该注意什么？
辐射源主要有两种。一是信号电流与回流构成的环路，作为小环天线辐射电波（差模辐射）。二是连接到电路板的电缆上往返不能相互抵消的电流，长电缆作为棒状天线辐射（共模辐射）。差模与面积成正比，所以基本做法是不中断地平面，让回流在信号线正下方流动。共模即使电流很小影响也很大，所以不产生地电位差的布局和电缆出口处的对策很重要。用简单公式比较一下两者各有多大影响。
差模与共模辐射
f为频率（Hz），A为环路面积（m²），L为电缆长度（m），r为距离（m）。两者都是按小天线考虑的近似式（Ott），不含地面反射。比较用限值为FCC B级（家用、3 m），88～216 MHz为150 μV/m（43.5 dBμV/m）。
回流从哪里流过
低频时回流走电阻最小的路径，即地平面内最短的路线。但频率升高后，回流走电感最小的路径，即信号线正下方，这也是环路面积最小的路径。这一性质在1990年代高速数字电路板设计中受到重视，形成了“不分割地平面”“信号线不跨越地平面缝隙”等布局基本规则。
算例
例1：环路面积与辐射（100 MHz、20 mA、3 m）
| 环路面积 | 电场 | dBμV/m | 对B级余量 |
|---|---|---|---|
| 10 cm²（绕过缝隙） | 877 μV/m | 58.9 | −15.3 dB |
| 1 cm² | 87.7 μV/m | 38.9 | +4.7 dB |
| 0.1 cm²（地平面上，50 mm×0.2 mm） | 8.8 μV/m | 18.9 | +24.7 dB |
例2：1 m电缆共模电流与辐射（100 MHz、3 m）
| 共模电流 | 电场 | dBμV/m |
|---|---|---|
| 1 μA | 42 μV/m | 32.4 |
| 3.6 μA | 150 μV/m（限值） | 43.5 |
| 5 μA | 210 μV/m | 46.4 |
| 20 μA | 838 μV/m | 58.5 |
电路板环路电流有20 mA，电缆上仅几μA就有同样大的辐射。
差模辐射中，往返电流靠近且方向相反，大部分相互抵消，只有剩下的微小差值产生辐射。所以与面积成正比，面积小时即使电流大辐射也小。而共模电流没有抵消对象，整条1 m电缆作为天线高效辐射。计算中5 μA共模电流的辐射是20 mA、1 cm²环路的2倍以上。共模电流多由回流在地平面上产生的微小电压差引起。所以不中断地平面对差模和共模都有效。在此基础上于电缆出口放滤波器或铁氧体磁环，减少电缆上的电流。
布局与分析流程
- 在高速信号层紧邻处放置无缝隙地平面。
- 布线时信号线不跨越地平面缝隙。
- 时钟等强信号要短，并远离板边和连接器。
- 在电缆出口放滤波器或共模扼流圈，地在一处与机壳连接。
- 用电磁场分析和近场磁场探头找出强辐射源。
“一根走线差了10 dB”
某设备在辐射噪声试验中100 MHz附近超标。检查电路板发现，时钟走线跨越了因电源需要而分割的地平面缝隙。回流绕过缝隙，环路面积变大，缝隙两侧产生的电压差又使电缆上流过共模电流。改变走线路径不再跨越缝隙后，该频率辐射下降10 dB以上，达到限值以内。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 分割地平面 | 环路面积增大 | 不跨缝隙 |
| 只对策差模 | 电缆辐射仍在 | 抑制共模 |
| 时钟走在板边 | 板边辐射 | 内层、中央 |
| 电缆出口无对策 | 共模电流外泄 | 滤波器、铁氧体 |
| 试验前才评估 | 返工大 | 设计阶段分析 |
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