PCB設計搭配EMI對策元件 改善電磁干擾問題

針對PCB區塊產生的EMI干擾問題，可使用EMI改善對策元件重點改善。ERA Technologies Inc.

消費者對電子產品的性能要求不斷提高，而電子元件的性能表現大幅躍升，在發展高性能可攜式行動裝置前，開發者最頭痛的仍是如何將高速中央處理器、GPU、RF無線傳輸元件安置於系統中，彼此又不會因電磁干擾問題使得產品無法通過驗證...

系統開發者在針對開發要求，開始進行應用方案選擇，大多會傾向尋找性能更高、速度更快的解決方案，例如SoC、GPU、無線傳輸、無線充電等應用方案，都會以更新、更快的角度進行方案選擇，但若同時將這些應用方案塞到設備機殼中，如果沒有針對電磁波改善方案進行設計，完成的產品肯定無法通過電磁干擾(Electro Magnetic Interference，EMI)產品驗證關卡，甚至可能造成產品無法出貨。

一般來說，電子產品通常若在開發過程中，未能重視EMI問題對策與改善，通常會在後段即將進行量產才發現EMI問題必須改善，此時才在事後進行設計檢討、測試、改善對策元件追加？試做，耗用的成本會比在開案初期即同時考量設計改善方案要來得高許多，往往在設計案的時限一步步逼近時，在時間壓力下若因EMI問題而使設計必須做某部分的妥協，更是得不償失。

利用局部金屬屏蔽 解決重點EMI問題

除了從模組化元件利用金屬屏蔽方式，降低高頻、高速元件可能造成的電磁干擾噪訊外，另一個產生電子波干擾的重要源頭，就是PCB電路板本身，系統開發者必須在投入開發的初期就能預先進行各式抑制電磁干擾源發生的設計問題，或搭配被動元件、輔助設計措施進行產品的電磁干擾問題改善。電子系統中，除了關鍵元件的高頻運作下，可能產生電磁干擾問題外，另一大電磁干擾問題來源，就是印刷電路板本身的設計不良，使得電磁波干擾問題會有趨於惡化的現象。開發產品必須針對不同的設計需求，選擇適宜的設計形式降低可能產生的電磁干擾影響。

通常PCB設計工作需要仰賴系統設計者多年累積的開發經驗，或利用精密的驗證模型系統，在產品開發進行前先以機殼框體結構、載板、元件特性、電源配置等參數，先進行軟體參數模擬分析，試著在投入研發資源前，先初步確認電磁干擾問題的可能影響狀態，再進行細部的外型、機構、電路或元件重新配置方式，儘可能將電磁干擾問題的可能成因降到最低。

在設計過程考量EMI設計對策

一般來說，電子產品通常會在完成初步驗證設計，即同步進行電磁干擾驗證工作，此時的設計方案在外型與機構仍有相當大程度的設計修改彈性，若驗證設計測出的電磁干擾問題相當嚴重，就必須選擇重新配置零組件、或改善部分機構或防護材料的設置。

但若電磁干擾問題的影響採用元件重新配置的改善幅度有限，或PCB板本身就太小、根本沒有空間重新配置關鍵元件，這時能進行電磁波干擾問題改善的設計方針，就必須朝不同設計技巧、或利用電磁波抑制對策元件進行重點式設計改善。而多數設計方案為了降低後期驗證、可能造成電磁干擾問題不易修正問題，或是減少投入修正電磁干擾問題的額外成本，較合適的作法是在每個開發階段都加入減低電磁干擾的線路設計考量，讓整體電路設計可將電磁干擾問題降低減緩。

若以目前最熱門的智慧型行動裝置為例，一般的設計條件中，大多會選擇納入核心處理器(CPU)、繪圖處理器(GPU)、記憶體(DDR SDRAM)、儲存記憶卡...等關鍵元件，而高頻元件以處理器、繪圖處理器、記憶體為主，目前行動裝置處理器外部時脈動輒超過1GHz，這在機構空間相對有限的小尺寸設計方案中，並不容易改善其電磁干擾問題，而高頻運行也容易干擾周邊元件正常運行，較常見的作法是於PCB印刷電路板做好區塊接地、搭配金屬護罩把高頻元件利用金屬屏蔽，最大幅度地減少電磁干擾影響。

使用改善EMI干擾對策元件 緩解設計產品之EMI影響

但搭配金屬屏蔽設計，必須搭配PCB印刷電路板的接地布線進行配合，於高頻元件周邊預留金屬屏蔽可用的固定焊點，焊點除具備直接屏蔽效果外，也必須同時達到屏蔽接地設計，讓高頻電磁干擾問題有效被抑制。解決了最大的EMI問題干擾源後，對於PCB本身的干擾問題改善，就可搭配對策性電磁干擾改善元件進行EMI問題加強改善設計。

例如，針對CPU線路需要的時脈電路，可以追加防止電磁干擾用的濾波電路，而據高頻資料傳輸運行狀態的GPU高頻I/O，可以追加設置共模扼流線圈(Common mode Choke Coil)，至於也可選擇幾個關鍵IC，在其電源線路上設置旁路電容(Bypass Condenser)、或搭配Ferrite Beads(FB)元件設計。

而共模扼流線圈元件，通常可以在主機板或介面卡上相當常見，共模扼流線圈主要是針對EMI問題進行濾波改善，尤其是針對高速信號線可能產生的電磁波向外輻射的抑制效果特別好，也可用於消除信號線的輸入干擾訊號、或各式環境噪訊？機殼內噪訊的干擾問題。共模扼流線圈又稱共模電感、共模線圈，尤其在交換式電源設計方案中相當常見，目前已有針對小型電路設計的貼片型元件。

針對高頻線路區塊 進行重點EMI對策元件設置

而Ferrite Beads(磁珠)元件方面，磁珠本身具有很高的電阻率、磁導率，可以等效於電阻與電感的串連特性，但Ferrite Beads實際的電阻、電感值會隨著頻率產生變化，由於Ferrite Beads比一般電感有更好的高頻濾波特性。Ferrite Beads本身的材料為鐵氧體的立方晶格的亞鐵磁性材料，鐵氧體材料可以是鐵鎳合金或鐵鎂合金，因為這種材料的高頻損耗相當大、且具備較高的磁導率，用於電磁干擾重點防治設計相當有用。

鐵氧體材料特性也可用於電路板的EMI問題改善方面，一般來說在低頻段時，Ferrite Beads的阻抗表現為由電感的組抗來構成，低頻狀態的電阻值相當低，磁芯本身的磁導率高、電感量表現較大，電磁干擾受電感反應影響。在高頻使用段方面，Ferrite Beads的阻抗由電阻特性呈現，隨著外部頻率升高、磁芯之磁導率對應降低，這會導致Ferrite Beads的電感量減小、但此時磁芯損耗會增加(電阻增加)，當高頻信號通過鐵氧體電磁干擾反而會被吸收、轉換成熱能形式逸散能量。

至於Ferrite Beads鐵氧體的抑制元件可廣泛用於PCB印製電路板、數據線、電源線，例如，在PCB電路板電源線入口端加上Ferrite Beads鐵氧體抑制元件，即可有效濾除區塊電路的高頻干擾，另鐵氧體磁環、磁珠也可用於抑制信號線、電源線的高頻干擾？突波干擾，同時具吸收靜電放電脈衝能力。