1. 前言

        PCB設計是原理圖的電路實現，原理圖把元器件的連接關係確定下來，對於 PCB Layout 要對原理圖中的器件進行布局，然後按照連接關係進行電路連接。
        原理圖是對電路結構的抽象，如果原理圖只考慮軟體程序實現需要的硬體的支持，那麼滿足簡單的連接即可，信號只要可以從發送端發送到接收端，可以被接收端識別，那麼程序就可以正常運行。但是現實的硬體並不只是為了滿足軟體，硬體自身構成的電路也是一個系統工程，對於信號從發送端到接收端，特別是高頻信號，其傳輸過程中將產生高頻輻射，進而導致的 EMI 問題，則要求 PCB 的 Layout 不簡簡單單是為信號提供一條從起始端到接收端的路徑，還要考慮高頻信號可能產生的 EMC 問題。
        本篇文章將通過分析高頻噪聲產生的途徑，以高頻信號可能形成的天線效應，通過由輻射產生的源頭分析線路板上的共模輻射和差模輻射，分析如何採取手段以降低 EMI 輻射的產生，並分析電源線和時鐘信號線可以做的 EMI 降低的處理，針對兩層板的 EMI 問題提出解決思路。

2. 差模輻射和共模輻射的產生

        在 PCB 中輻射的產生源分為共模輻射和差模輻射，圖 2.1 中 I_D​ 為由差模電壓 ​V_D 引起的差模電流，這種有兩條線路分別做往返傳輸的，我們稱之為 “差模”， 為由共模電壓 ​V_C1 和 V_C2 引起的共模電流，這種由一根導線做去路，由地線返回傳輸的，我們稱之為 “共模”。

圖 2.1. 輻射產生源

2.1 差模輻射

        差模輻射，是由電流迴路中的高頻電流產生的磁場輻射。EMI 問題的產生，其主要的源頭是線路板上的高頻時鐘信號，高頻信號的環流路徑是和低頻信號不同的，低頻（1KHz 以下）信號會優先選擇阻抗最小的路徑到地，而高頻信號（10KHz 以上）則優先選擇感抗最小的路徑，即與信號線所圍的面積最小的路徑，對於 1KHz-10KHz 的信號，則兩條路徑都有。

2.1.1 回流路徑分析

        分析高頻的環流路徑對於防止 EMI 問題有著至關重要的作用。從圖 2.2，信號的環流路徑是這樣的：從源端發出->經過信號線傳輸->通過負載到地->又負載的地沿著信號線回到源端的地->經過源端的地與源端電源之間的電容到源端電源->回到源端。即從信號的初始端出發，又回到了初始端，此時如果環路的面積很大，將產生十分明顯的差模輻射。
        對於差模輻射，產品在測試時的場強為：
        E=263∗10^-16(f²SI_DM​)/r​
       其中 f 為信號頻率，S 為環流面積，I_DM 為電流，r 為測量距離。可以看到輻射是和環流面積 S 和電流 I_DM 成正比的。

圖 2.2. 高頻信號和低頻信號的回流路徑

2.2 共模輻射

        共模輻射是由變化的電壓產生的電場輻射，當外部線纜連接 PCB 中有高電位的共模電壓時，就會在共模電壓激勵下產生共模電流，用電壓激勵（長度小於 ）的單極天線來模擬，共模輻射在遠場 r 處的場強為：
        E=12.6*10^-7(fI_CMl)sinθ/r
        可知輻射與線長和電流和信號頻率成正比，給定信號，我們能做的就是抑制共模電流 I_CM 和減小共模天線的長度 l：

1. 對於差模信號，如 USB 的 DM 和 DP，可以在信號傳輸路徑上加共模電感來抑制共模電流；
2. 對設備大面積鋪地可以降低地線阻抗，降低共模電壓，即可降低共模電流；
3. 減小天線的長度則要求儘可能的發現 PCB 中的共模天線，在 Layout 的過程中減小布線長度；
4. 另外可以在電源線和信號線上加共模電容來旁路共模干擾；
5. 還可以對連接線纜採取屏蔽措施，防止輻射向空間發射。

圖 2.3. 高頻信號和低頻信號的回流路徑

        由公式 I_DM/I_{CM=48*10⁶l/fS}

        可知產生相同的場強，差模電流的幅度比共模輻射高三個數量級，因而，在相同條件下抑制共模輻射比差模輻射要難得多，共模輻射也通常決定了產品的性能。

3．EMI 問題解決思路

3.1 減小高頻時鐘信號回流面積

        通過對環流路徑的分析，針對改善 EMI 輻射問題，在 Layout 的過程中需要注意高頻迴路與信號線所圍路徑的面積要儘可能的小，當信號的路徑與回流路徑離的很近的時候，兩者的電流是相反的，通過右手定則，判斷兩者的磁場方向相反，兩個磁場疊加，就可以形成磁通對消的效果，具體的做法是：

1. 首先要減小時鐘線的走線長度，這要求元器件在布局的過程中要選擇距離時鐘發出端距離較近的位置。
2. 從源端到負載端的信號線，在同一層信號線的兩端布置地線，並在地線上打過孔，過孔的間距要小於信號波長的 1/5，此時高頻信號將沿著包地線進行回流。
3. 包地對於兩層板來說是相當重要的，如果沒有對時鐘信號線加包地的話，那麼當信號線底層的地是完整的，高頻信號將在信號線的正下方，沿著鏡像平面進行回流，這時的回流面積是在兩層板子之間所圍的面積，這對於兩層板而言上下兩層的間距一般有 1.6cm，轉化為密爾為單位是 629.9mil，可以說這個回流面積還是很大的。若是採用包地線，那這個距離會減小到 30mil 左右，這樣的環流面積將大大減小。

3.2 從電源線入手

        對於電源線，可在電源輸入出採用串聯磁珠和並聯電容的方法，防止高頻信號通過電源線進行器件內部，並且防止器件內部的電源產生的高頻噪聲通過電源線傳輸到外部，原因如下：

1. 選擇合適的磁珠可以吸收高頻輻射；
2. 旁路和去耦電容還為信號回流由地到電源提供了路徑，因此旁路和去耦電容要儘量靠近電源管腳放置，小電容在前，大電容在後減小高頻信號的環流面積；
3. 電容到電源和到地的距離要近可能的短，這樣可以減少電容的寄生電感。

       對於電源線，好的做法是伴隨電源線布置地線，這樣可以使得電源線上噪聲有最小的環流面積。

3.3 對於時鐘線的其它處理

        對於時鐘線，輻射問題還可以採用在時鐘線上加磁珠減少高頻噪聲，還可以採用串聯電阻和並聯電阻和電容的方法做阻抗匹配，以減小信號的反射，減小輻射干擾，這在本篇博文沒有做詳細的分析。

4．磁珠的選擇

4.1 電源和信號線上的噪聲分析

        對於電源線和信號線上的磁珠是不同的，對於電源線，由於電源要為信號輸出提供能量，當輸出信號時，將伴隨會在電源線上產生近似信號頻率的噪聲；對於信號線，噪聲的產生，在於信號在傳輸的過程信號的反射，由於傳輸線路的阻抗不匹配，以及信號經過直拐角，過孔等阻抗不連續的點，都將造成信號的反射，產生的回波信號與源信號疊加，將產生加性噪聲干擾。

圖 4.1. 信號輸出在電源和地上產生的噪聲

4.2 電源線上磁珠的選擇

        對於電源的噪聲，應選擇額定電流滿足系統供電需求的磁珠（一般來說磁珠的阻抗越大，額定電流越小）、磁珠頻率較低、濾頻範圍較大、DCR 小的磁珠，目的是大範圍的減小電源線上的噪聲信號，使電源“乾淨”，並且減小磁珠的 DCR 帶來的壓降，如使用 TDK 的 MPZ2012S102ATD25，額定電流 1.5A，可以看到它的濾波集中在 100MHz 左右，有較寬的頻率高阻抗範圍，可以放在非主電源的各模塊電源的供電口。

圖 4.2. 磁珠 MPZ2012S102ATD25 圖 4.3. 磁珠 MPZ2012S102ATD25 額定電流

        對於主電源線，對於高頻 PCB 板來說，應儘量減少其長度，其上有來自各個分電源的噪聲疊加，在磁珠的選擇上要考慮系統的總供電電流來選擇磁珠的額定電流，一般選擇額定電流大的磁珠，如 MPZ2012S331ATD25，額定電流 2.5A。

圖 4.4. 磁珠 MPZ2012S331ATD25 圖 4.5. 磁珠 MPZ2012S331ATD25 額定電流

4.3 信號線上磁珠的選擇

        對於信號線上的噪聲，額定電流不需要像電源上的磁珠那樣大，但應考慮信號線上的阻抗匹配，選擇在信號頻率下磁珠的阻抗滿足信號傳輸無損的要求，要選擇不影響信號完整性且針對噪聲的頻率特性陡峭的磁珠。比如可以選擇 TDK 的 MMZ1608D121CTAH0 磁珠，可以看到他的濾波是對 100Mhz 到 1GHz 的磁珠有頻率有較高的阻抗，可以用在 100MHz clock 的時鐘線之上濾除其產生的高頻噪聲。

圖 4.6. 磁珠 MMZ1608D121CTAH0 圖 4.7. 磁珠 MMZ1608D121CTAH0 額定電流

5. 去耦和旁路電容的選擇

        電容的選擇要根據希望濾除的頻率做選擇，不同電容的 ESR 會根據頻率變化的，針對需要濾除的頻率，選擇低 ESR 的陶瓷電容，低 ESR 電容對於高頻信號來說，相當於是直接將其短接到地，以及為回流信號提供地到電源回流的路徑，防止其沿著電源線或信號線傳輸，產生嚴重的 EMI 問題，圖 5.1 是不同頻率下電容的自諧振頻率。
        一般選擇一個大電容並一個小電容的方法來取得寬範圍的濾波範圍，大小電容容值相差 100 倍。可以在電源的輸入和輸出埠可以選擇 1uF 並 0.01uf 和並 100pF 的電容來濾除其上的高頻噪聲。

圖 5.1. 不同頻率下電容的自諧振頻率

6. 結語

        本篇博文通過對兩層產生 EMI 問題的源頭進行了分析，分析電源線和時鐘信號線上的噪聲產生的原因，以及對高頻信號的環流路徑進行了分析，進以提出串磁珠、並電容、包地線的方法，希望對讀者有所啟發。

7. 參考資料

        1. 共模干擾與差模干擾及其抑制方法 - 知乎 (zhihu.com)：https://zhuanlan.zhihu.com/p/540469215
        2. [美]Eric Bogatin.信號完整性與電源完整性分析. 北京：電子工業出版社，2019.4.