物联网设备中PCB的设计及电磁兼容分析

摘要：随着物联网的成熟和完善，无线通信技术和无线传感网络技术得到广泛应用，由于通信频率提升、电路复杂度增加等因素，设备的电磁兼容性成为必须考虑的问题。本篇文章分析了印制电路板（PCB）设计过程中电磁干扰（EMI）产生原因和相关抑制措施、解决方案，为相关电路设计工作提供参考和依据。

1 电磁兼容

由国标GB/T4365-1995定义，电磁兼容（Electromagnetic Compatibility）是指设备或系统再起电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力，它主要包含两方面的内容：电磁辐射和抗干扰能力。

电磁兼容（EMC）是保证信息系统装备可靠和安全稳定的重要指标，也是装备研制过程中必须解决的关键技术问题[1]。其性能是全球主要國家和地区电子和电气产品必须获得的各类安全认证之一[2]。根据IEC/CISPR国际标准，电磁兼容设计主要指电磁干扰（EMI）的抑制和防护。

2 PCB电磁干扰分析

印制电路板（PCB）是系统电路工作的平台，其稳定性决定了电路工作的特性和稳定性。目前随着消费电子、工业电子设计想着高速率、高集成度发展，据国际半导体技术发展蓝图预测，2022年芯片偏上时钟频率将提高至14.3GHz特征尺寸将发展到11.3mm，由于不断升高的时钟工作频率、系统工作速度和电路集成度，PCB内部模块信号串扰、外部电磁信号干扰成为影响系统稳定性、可靠性的制约因素。

其中产生电磁干扰成因主要分两类：（1）PCB板布线间距小，信号线之间发生寄生耦合现象，进而产生干扰[3]。另外随着高频信号模块的引入，走线之间不平衡而产生共模辐射同样会产生干扰[4]。（2）由于布线过程中，PCB板出现的过孔、直角拐弯、键合线等情况，这些不连续结构导致信号产生串扰、反射，或引入噪声。

此外，天线间、天线与其他电子设备间的相互干扰也更加复杂，并有可能影响天线和其他设备正常工作[5]。因此PCB的电磁兼容性分析和设计显得尤为重要。

通过在PCB设计时期引入电磁兼容设计，通过软件仿真对系统建模和分析，找到电磁干扰源，使仿真结果可视化，并做相关的EMC处理，以此降低系统电磁干扰。电磁兼容设计的介入时间越早，起花费成本就越低[6]。

3 物联网系统PCB板电磁兼容设计方法

物联网系统，根据业务速率不同，选用的通信模组有差异。对于高速业务普遍选用LTE CAT-4模组，中低速业务普遍选用CAT-1、eMTC模组，低速业务普遍选用NB-IoT模组。以上模组的信息传输速率已进入Gbps，并且系统时钟频率也再GHz范围，因此需要将电路中的信号分布和电源分布考虑到该物联网系统的PCB电磁兼容设计中去，进行EMC优化设计。

以下图为例分析，芯片逻辑状态的变化会造成瞬时电流，导致电压波动，进而可能导致逻辑错误;另外，如果芯片1、2分别是数字芯片和模拟芯片，则数字芯片会产生同步切换噪声影响模拟芯片;最后，信号线通过过孔穿过电源层时，同样会带来噪声。可见，PCB电路中的噪声是影响高速数字电路特性的主要原因之一[7]。

3.1 布局设计优化

（1）按系统功能及信号走向布局位置，物联网通信模组和时钟模块属于高速器件，应分开布局，防止模块间干扰;屏蔽磁性元器件，CPU时钟同敏感器件要保持一定的距离[8]。

（2）系统时钟模块靠近其相应的地线，形成有效回流。

（3）电源部分优化方案：为防止数字信号影响高频模拟器件，将模拟电源和数字电源分开;为防止电源线产生尖峰电流，形成噪声干扰，对于使用的电源类集成芯片安装去耦电容（具体办法参考3.3）。

（4）地线部分优化方案：地线和电源线之间加去耦电容（具体办法参考3.3），抑制电源线上产生的辐射电流。