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開關電源EMC過不了？PCB畫板工程師責任大了！

發(fā)布時間：2018-03-16 責任編輯：wenwei

【導讀】說起開關電源的難點問題，PCB布板問題不算很大難點，但若是要布出一個精良PCB板一定是開關電源的難點之一（PCB設計不好，可能會導致無論怎么調(diào)試參數(shù)都調(diào)試布出來的情況，這么說并非危言聳聽）原因是PCB布板時考慮的因素還是很多的......
 
如：電氣性能，工藝路線，安規(guī)要求，EMC影響等等；考慮的因素之中電氣是最基本的，但是EMC又是最難摸透的，很多項目的進展瓶頸就在于EMC問題；下面從二十二個方向給大家分享下PCB布板與EMC。
 
一、熟透電路方可從容進行PCB設計之EMI電路
 
開關電源EMC過不了？PCB畫板工程師責任大了！
 
上面的電路對EMC的影響可想而知，輸入端的濾波器都在這里；防雷擊的壓敏；防止沖擊電流的電阻R102（配合繼電器減小損耗）；關鍵的慮差模X電容以及和電感配合濾波的Y電容；還有對安規(guī)布板影響的保險絲；這里的每一個器件都至關重要，要細細品味每一個器件的功能與作用。設計電路時就要考慮的EMC嚴酷等級從容設計，比如設置幾級濾波，Y電容數(shù)量的個數(shù)以及位置。壓敏大小數(shù)量選擇，都與我們對EMC的需求密切相關，歡迎大家一起討論看似簡單其實每個元器件蘊含深刻道理的EMI電路。
 
二、電路與EMC：（最熟悉的反激主拓撲，看看電路中哪些關鍵地方蘊含了EMC的機理）
 
開關電源EMC過不了？PCB畫板工程師責任大了！
 
上圖的電路中打圈幾部分：對EMC影響非常重要（注意綠色部分不是的），比如輻射大家都知道電磁場輻射是空間的，但基本的原理是磁通量的變化，磁通量涉及到磁場有效截面積，也就是電路中對應的環(huán)路。電流可以產(chǎn)生磁場，產(chǎn)生的是穩(wěn)定的磁場，不能向電場轉化；但變化的電流產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場是可以產(chǎn)生電場（其實這就是有名的麥克斯韋方程我用通俗語言來說），變化的電場同理可產(chǎn)生磁場。所以一定要關注那些有開關狀態(tài)的地方，那就是EMC源頭之一，這里就是EMC源頭之一(這里說之一當然后續(xù)還會講到其它方面）； 比如電路中虛線環(huán)路，是開關管開通和關斷的環(huán)路，不僅設計電路時開關速度可以調(diào)節(jié)對EMC影響，布板走線環(huán)路面積也有著重要的影響！另二個環(huán)路是吸收環(huán)路和整流環(huán)路，先提前了解下，后面再講！
 
三、PCB設計與EMC的關聯(lián)
 
  1. PCB環(huán)路對EMC的影響非常重要，比如反激主功率環(huán)路，如果太大的話輻射會很差。 
  2. 濾波器走線效果，濾波器是用來濾去干擾的，但若是PCB走線不好的話，濾波器就可能失去應該有的效果。 
  3. 結構部分，散熱器設計接地不好會影響，屏蔽版的接地等；
  4. 敏感部分與干擾源頭過近，比如EMI電路與開關管很近，必然會導致EMC很差，需要有清晰的隔離區(qū)域。 
  5. RC吸收回路的走線。 
  6. Y電容接地與走線，還有Y電容的位置也很關鍵等等！ 
 
等等。先想到這說這些，后續(xù)會具體討論，先起個引子。
 
下面舉一個小例子：
 
開關電源EMC過不了？PCB畫板工程師責任大了！
 
如上圖中虛線框，X電容引腳走線做了內(nèi)縮的處理，大家可以學習下，如何讓電容引腳走線外掛（采用擠電流走線）。這樣X電容的濾波效果才能夠達到最佳狀態(tài)。
 
四、PCB設計之準備事項：（準備充分了，方可設計步步穩(wěn)健，避免設計推翻重來）
 
大致有以下的一些方面，都是自己設計過程會去考慮，所有的內(nèi)容跟別的教程無關，都是只是自己的經(jīng)驗總結。
 
  1. 外觀結構尺寸，包括定位孔，風道流向，輸入輸出插座，需要與客戶系統(tǒng)匹配，還需要與客戶溝通裝配上的問題，限高等等。 
  2. 安規(guī)認證，產(chǎn)品做哪種認證，哪些地方做到基本絕緣爬電距離要留夠，哪些地方做到加強絕緣留夠距離或開槽。 
  3. 封裝設計：有沒有特殊期間，如定制件封裝準備。 
  4. 工藝路線選定：單面板雙面板選擇，或是多層板，根據(jù)原理圖及板子尺寸，成本等綜合評估。 
  5. 客戶的其他特殊要求。 
 
結構工藝相對會更靈活，安規(guī)還是比較固定的部分，做什么認證，過什么安規(guī)標準，當然也有一些安規(guī)是很多標準中通用的，但也有一些特殊產(chǎn)品比如醫(yī)療會比較嚴苛。
 
為了新入門工程師朋友們不至于眼花繚亂；
 
接下來列出些普遍產(chǎn)品通用的,下面是對于IEC60065總結出來的具體布板要求，針對安規(guī)需要牢記，碰到具體產(chǎn)品要會針對性處理：
 
  1. 輸入保險絲焊盤制件的距離安規(guī)要求大于3.0MM，實際布板按照3.5MM（簡單說保險絲前按照3.5MM爬電距離，之后按照3.0MM爬電距離）
  2. 整流橋前后安規(guī)要求2.0MM，布板按照2.5MM。 
  3. 整流后安規(guī)一般不做要求，但是高低壓間根據(jù)實際電壓大小留距離，習慣400V高壓留2.0MM以上。 
  4. 初次級間安規(guī)要求6.4MM(電氣間隙），爬電距離按照7.6MM為最佳。（注意這個跟實際輸入電壓相關，需要查表具體計算，提供數(shù)據(jù)僅供參考，以實際場合為準） 
  5. 初次級用冷地，熱地標識清晰；L，N標識，輸入AC INPUT標識，保險絲警告標識等等都需要清晰標出。
 
大家對上面有疑問的，也可以討論，互相學習！ 再次重申實際安規(guī)距離跟實際輸入電壓相關以及工作環(huán)境有關，需要查表具體計算，提供數(shù)據(jù)僅供參考，以實際場合為準；
 
五、PCB設計之安規(guī)考慮其它因素
 
  1. 明白自己產(chǎn)品做什么認證，屬于什么產(chǎn)品種類，比如醫(yī)療，通信，電力，TV等各不相同，但也有很多相通的地方。 
  2. 安規(guī)中與PCB布板緊密的地方，了解絕緣的特點，哪些地方是基本絕緣，哪些地方是加強絕緣，不同標準絕緣距離是不一樣的。最好是會查標準，并且會計算電氣距離，爬電距離。 
  3. 產(chǎn)品的安規(guī)器件重點注意，比如變壓器磁性與原副邊關系； 
  4. 散熱器與周邊距離問題，散熱器接的地不一樣絕緣情況也不一樣，接大地還是冷地，熱地絕緣也布一樣。 
  5. 保險的距離特別注意，要求最嚴格地方。保險絲前后距離布一致。 
  6. Y電容與漏電流，接觸電流關系。 
 
后續(xù)會詳細說明距離該怎么留，如何做好安規(guī)要求。
 
六、PCB設計之電源布局
 
  1. 首先衡量PCB尺寸與器件數(shù)量，做到疏密有致，要不然一塊密，一塊稀疏很難看。 
  2. 將電路模塊化，以核心器件為中心，關鍵器件優(yōu)先放的原則一次放置器件。 
  3. 器件呈垂直或水平防置，一是美觀，二是方便插件作業(yè)，特殊情況可以考慮傾斜。 
  4. 布局時需要考慮到走線，擺放到最合理位置方便后續(xù)走線。 
  5. 布局時盡可能減小環(huán)路面積，四大環(huán)路后面會詳解到。
 
做到上述幾點，當然要靈活運用，比較合理的布局很快就會誕生。
 
下面是我畫的第一塊處女PCB板，好多年前的事情，當時非常的艱苦完成的，中間可能有小問題，不過大體布局還是值得學習的：
 
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此圖功率密度還是比較高，其中LLC的控制部分，輔助源部分以及BUCK電路驅(qū)動（大功率多路輸出）部分在小板上，就沒拿出來，看看主功率方面的布局特點吧：
 
1.輸入輸出端子是固定死的，不能動，板子是長方形的，主功率流向如何去選擇？ 
 
這里采用由下至上，由左及右的方式來布局，散熱是依靠外殼。 
 
2.EMI電路還是清晰的流向，這點很重要，要不混亂了不美觀也對EMC不好。
 
3.大電容的位置盡量考慮到了PFC環(huán)路以及LLC主功率環(huán)路； 
 
4.副邊的電流比較大，為了走電流，以及整流管散熱，采用了這樣的布局，整流管在上，BUCK電路MOS管在下，散熱分散效果好；大功率的頂層一般走負，底層走正。 
 
每個板子有自己的特點，當然也有自己的難處，如何合理解決是關鍵，大家從中能理解布局合理選取的含義嗎？
 
七、PCB實例賞析
 
可以根據(jù)之前談論的PCB布局要點，檢視此板，是否做的很到位，我認為是做到比較好的地方了，當然瑕疵總會有，也可以提出來，單面板如此緊湊能做到這樣已實屬不易了，可以借此板學習討論！后面還會針對此板講解學習，大家先欣賞下。
 
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八、PCB設計之四大環(huán)路認識：（PCB布局的基本要求就是四大環(huán)路面積?。?/strong>
 
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補充一下，吸收環(huán)路（RCD吸收以及MOS管的RC吸收，整流管的RC吸收）也很重要，也是產(chǎn)生高頻輻射的環(huán)路，對上圖有任何疑問，都歡迎討論，不怕任何質(zhì)疑，只要是針對問題的質(zhì)疑，一起討論學習才能更大的進步！
 
九、PCB設計之熱點（浮動電位點）及地線：
 
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注意事項：
 
  1. 針對熱點，一定要特別注意（高頻開關點），是高頻輻射點，布局走線對EMC影響很大。 
  2. 熱點構成的環(huán)路小，走線短，并且走線不是越粗越好，而是夠走電流夠用就好。 
  3. 地線要單點接地。主功率地和信號地分開，采樣地單獨走。 
  4. 散熱器的地需要接主功率地。
 
十、EMC整改心得體會
 
均為個人理解，或許與傳統(tǒng)資料教材有差異，請自己斟酌，反正我覺得很多通用的教材結果沒我自己總結的使用，自夸了。想說的很多，可能有些亂，都是實踐出來的!
 
EMC產(chǎn)生以及測試時測得的結果如何去理解：簡單來說就是如何對癥下藥，很多情況拿到第一輪測試結果，怎么將結果和電源去對照分析；主題思路如下：
 
1、針對傳導，測試范圍標準15K-30M，常見的EN55022是150K起。傳導的源頭是怎么產(chǎn)生的呢？針對低頻，主要是開關頻率以及其倍頻（后續(xù)有圖解），這種從源頭是無法解決的，開關頻率是無法消除的，當然你可以改變開關頻率，那也只是將測試結果移動了，并沒有真正意義上消除。只能通過濾波器來解決，一般來說對于低頻采用R10K這種高磁通材質(zhì)有很好的效果，磁環(huán)大小跟你功率有關系，一般達到10MH感量，甚至更大到20MH，配合Y電容一般能很好解決，低頻不是難點；真正的難點是高頻，個人認為，高頻的起因就復雜多了，有開關導致，有變壓器可能，也有電感的可能，也就就是一切存在開關狀態(tài)的地方都可能存在(怎么判斷具體位置，后續(xù)講解），這里需要一番摸索；找到源頭未必源頭能解決，可能有改善，還是的配合濾波器。針對高頻，采用低磁通材質(zhì)，如鎳鋅環(huán)，感量一般都是UH級別的，配合合適Y電容（比較復雜的電源，建議布板時多留幾個Y電容位置，方便整改）；
 
2、一些配合手段，很多教材都提到增大X電容判斷差模還是共模，有一定意義可能現(xiàn)實幫助不大，設計時一般我們X電容都會放到合適的值。并且增大X電容就能解決差模問題，也是瞎扯，所以很多教材都是提供一定意義指導，個人覺得沒什么用。我覺得比較好的手段有幾個：1.對照接地和不解地總結差異，不接地可能更差，原因是系統(tǒng)構造的傳導途徑少了；也可能有改善，說明是通過地回路傳導到端口。具體解決措施，針對電路接地的點Y電容進行調(diào)節(jié)以及加磁珠。2.在輸入端口套磁環(huán)，若套低U環(huán)有改善，調(diào)節(jié)第一級濾波電感。3復雜的系統(tǒng)注意EMI電路的屏蔽措施。若措施都沒什么效果，反省PCB設計，這方面在PCB設計中會講到。
 
3、針對輻射：必須找出源頭去解決，觀測第一次測試結果，若是30M附近超出，跟接地相關，系統(tǒng)上找接地，并且要判斷測試時是否接地良好，有時候輸入線都有影響。2.40M-100M以內(nèi)，一般是MOS管開通關斷引起，有時后為了現(xiàn)場不好直接判斷是開通還是關斷，可針對性整改觀測結果去驗證(當然這都得花錢，后續(xù)會講解如何用示波器去判斷，這可是密招）。3 100M以上多為二極管引起，整改二極管吸收電容，大功率的有的可能是同步整流，更改MOS管吸收環(huán)路，記住有時候調(diào)整C時還得配合R整改。
 
要說的太多，后續(xù)針對具體實例去補充吧，先手打這么多，反正我打的夠辛苦，能引起共鳴很難，畢竟每個人的整改經(jīng)歷差很多，就當給新人朋友一些啟示吧，后續(xù)會舉例說明！
 
十一、布板走線之濾波電容走線
 
濾波電容的走線對濾波效果有至關重要的作用，走的不好，可能失去其應有的濾波效果。
 
圖一是副邊整流濾波走法，使二個電容效果分攤，避免第二個電容在整流回路中失效。
 
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圖二：為輸出濾波電容走線，一定不要外掛（也就是被旁路掉），走的不好輸出紋波很差。
 
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十二、LLC電路的布板與EMC
 
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LLC電路大家最熟悉不過了，虛線圓圈是驅(qū)動電路，在電路設計時緊靠MOS管放置，也就是說IC提供的驅(qū)動只需要引二根線拉到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路離MOS管近，避免被干擾(同時走線時也要注意驅(qū)動干擾到敏感信號，既是敏感信號也是干擾源）；一旦驅(qū)動被干擾電源可想而知。
 
同理同步整流的MOS管驅(qū)動也要離同步整流管近，設計原理圖時像此圖這樣放就能很好理解，假如你將這電路給PCB工程師布板，他就很直觀如何布局走線，你若是畫得很亂，很多PCB工程師對電路理解得布透徹可能就容易布錯板。
 
另外：原邊有一個重要的環(huán)路，PFC電容與MOS管以及變壓器，諧振電感，諧振電容構成的環(huán)路面積??；
 
副邊整流濾波環(huán)路同樣重要，電容的走線之前講過，也很重要；
 
走線時注意高低壓的距離，有些地方電壓是浮動的，必須當作高壓來對待，比如上管驅(qū)動以及對應的參考電壓。
 
至于EMC方面LLC的開通是軟開關，開通對EMC幾乎沒有影響，重點關注是關斷速度的快慢對EMC影響；還有MOS管結電容并的電容對EMC影響很大，選擇電容不合適，或是不加（MOS管自身也有結電容）對EMC都可能有影響，這是重點注意的地方；此圖沒有Y電容，在MOS管正或者負防置Y電容也能很好濾去開關干擾；
 
對此電路有什么疑問的，可以提出來討論，在討論中彼此成長！
 
十三、電路設計與布板之PFC
 
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上圖是典型的BOOST PFC電路：
 
左邊綠色方框部分是驅(qū)動電路，和之前LLC拓撲驅(qū)動一樣，離MOS就近放置，原理圖上就體現(xiàn)出來。
 
右邊綠色虛線方框部分，是MOS管關斷尖峰吸收電路，一樣與MOS管構成環(huán)路要最?。?/div>
 
另外二大重要環(huán)路，一是MOS管開通環(huán)路（虛線紅色圖），另一個是MOS管關斷環(huán)路（實線紅色圖）；環(huán)路面積盡可能?。?/div>
 
十四、磁環(huán)在EMC中妙用
 
有的產(chǎn)品EMC很難在源頭上去處理的，可以采用磁環(huán)濾波，當然我這里說的磁環(huán)有二個層面的意思，一方面是輸入輸出端的濾波電感，采用不同材質(zhì)磁環(huán)，不同匝數(shù)會有對應的效果，還有一方面意思是直接在輸入輸出線上套磁環(huán)，有時能起到妙用，但不是在所有場合都能用，起碼還是能作為判斷依據(jù)；
 
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上圖藍色和黑色線是輸出正負端，上面套了個磁環(huán)，解決了輸出整流管引起的高頻端超出；有些時候端口的干擾在PCB板上加濾波器未必有效果，在輸出線上放磁環(huán)就有想不到的效果。
 
十五、PCB走線之關鍵信號
 
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注意：
 
  1. CS信號（采樣信號）：從采樣電阻R25，R26拉出，注意IC的地線以采樣電阻為基準，采樣電阻的正負差分走線拉倒IC CS腳以及IC 的GND腳。 
  2. 驅(qū)動信號從驅(qū)動電路拉倒IC驅(qū)動引腳，注意不要干擾到CS腳；如圖走線三根線并排走，并且將地線走在驅(qū)動先和CS線中間起到一定屏蔽作用； 
  3. 雙面板最好將IC一層鋪地屏蔽，鋪地的網(wǎng)絡一定要從IC GND引出，非關鍵信號GND可直接打過孔，關鍵信號地需要單點接地，直接接IC； 
  4. FB反饋網(wǎng)絡信號注意查分走線并且單點接IC； 
  5. RCD吸收網(wǎng)絡不要放在主回路； 
  6. VCC的整流濾波地需要接主功率地，二級濾波可接IC 地； 
  7. Y電容走線單獨接，不可與主功率混淆，避免干擾；
 
十六、主功率及控制部分地接線示意圖
 
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可能很多人看到此圖，云里霧里的，大致介紹下：
 
  1. PFC的驅(qū)動和IC共地接PFC管，更具體點是接采樣電阻的地； 
  2. DC-DC部分的驅(qū)動地和控制地接DC開關管部分的采樣地； 
  3. 輔助源部分控制地接輔助源MOS管采樣第，MOS管地再接主功率地； 
  4. 各自IC的供電地通過輔助源EC濾波接IC地，注意RC濾波靠近IC； 
 
總結：注意好各自的單點接地，地線不亂，是走線最重要的地方之一！?。?/div>
 
十七、電磁場屏蔽機理分析
 
圖一：磁場屏蔽原理
 
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如圖對照：輸入和輸出的電場干擾可以通過電容傳輸耦合，若增加屏蔽板，則增加了C4的大小，并且C1也會減小，對電場干擾起到衰減的目的；
 
圖二：磁場屏蔽原理
 
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如圖：磁場屏蔽的特點和磁場不一樣，需要外殼屏蔽，電場只需要平面屏蔽板，故散熱器屏蔽帶來的是電場屏蔽，有的采用外殼封閉式電源則起到了一定磁場屏蔽；
 
磁場屏蔽原理，磁場通過屏蔽罩會改變磁路，導致磁力線向周圍擴散，中間磁場干擾達到屏蔽目的；
 
十八、開關器件與EMC
 
對器件的認識對EMC也有著重要的意義，比如MOS管，主開關MOS是很重要的EMC源頭之一，還有整流管的開通以及關斷也會產(chǎn)生高頻輻射（原理是電流產(chǎn)生磁場，變化的電流產(chǎn)生電場）；當然這里主要是介紹半導體開關器件，其他的電感變壓器就不做說明了；
 
開關器件哪些參數(shù)對EMC有重要影響，我們常說快管，慢管是以什么作為參照的呢？我們都知道快管開通損耗小，為了做高效率都喜歡用，但是為了EMC順利通過，不得不舍棄效率，降低開關速度來減弱開關輻射；
 
對于MOS管，開通速度是由驅(qū)動電阻與輸入結電容決定的；關斷速度是由輸出結電容與管子內(nèi)阻決定；
 
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參照以上兩圖，是不同型號的MOS管，對比下輸入結電容和輸出結電容，2400PF與800PF;780PF與2200PF；一看就知道第一個規(guī)格是快管，第二個是慢管，這時候決定開關速度還要與驅(qū)動電阻匹配；常規(guī)情況驅(qū)動電阻在10R-150R比較多，選取驅(qū)動電阻與結電容有關，針對快板驅(qū)動電阻可適當增大，慢管驅(qū)動電阻可適當減??；
 
對于二極管，有肖特基二極管，快回復二極管，普通二極管，還有一種用的比較少的SIC二極管，開關速度SIC二極管幾乎為零，等于是沒有反向恢復，開關輻射最小，并且損耗也最小，唯一的缺點就是價格昂貴，故很少用；其次就是肖特基二極管，正向壓降低，反向恢復時間短，依次是快回復和普通二極管；需要在損耗和EMC之間折中；一般可采取改吸收以及套磁珠等措施整改EMC；
 
十九、EMC之濾波器
 
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濾波器的架構選擇對濾波器的影響很重要，在不同場合，濾波器是根據(jù)阻抗匹配來達到濾波效果，大家可根據(jù)此圖的原則參考選取如何濾波；比如最常用的輸出整流橋后采用π型濾波以及輸出端采用LC濾波器；
 
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濾波器的材質(zhì)對設計濾波電感也是至關重要，采用不同初始磁導率的材質(zhì)會在不同頻率段起作用，選錯材質(zhì)就完全失去應有的效果；
 
二十、EMC之反激高頻等效模型分析
 
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先從最簡單的模型理解EMC：
 
EMC的路徑，當然空間輻射是跟環(huán)路有關，環(huán)路也是路徑構造成的；分析出反激高頻等效模型，幫助理解EMC形成的機理；我們的測試接收設備會從L,N端接收傳導，為了減小接收的干擾，就必須讓干擾通過地回路流通而不從L,N端口流向接收設備；這時候我們的EMI電感以及Y電容通過阻抗匹配就可以實現(xiàn)；另外原邊的干擾可以通過原副邊Y電容，變壓器雜散電容以及大地耦合到副邊，形成更多的回路；當然一些結電容參數(shù)，如MOS管結電容，散熱器結電容也能構成流通路徑；
 
二十一、輻射的形式以及頻率分布
 
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這個圖可能有些抽象，不過正好EMC是很難做到具體，需要給到我們一些啟示，可知：差模輻射是以環(huán)路的形式存在，而共模輻射是以天線的形式發(fā)射；因此正好印證前面說我們布板的時候開關環(huán)路的布局以及走線的時候不要走銳角，常規(guī)走45度，最好是圓弧走線，當然走線效率會比較低；
 
這些原理基礎知識理解得好，對實際處理EMC工作以及布板很有用那個，如果沒這種意識，可能毫無用處，因為提供不了直接方法，需要與其他知識想結合；
 
而且這里提的很多原理東西，在很多EMC資料中是看不到的，而且也沒這么集中，需要反復體會！
 
開關電源EMC過不了？PCB畫板工程師責任大了！
 
如圖：一些頻率端與開關電源產(chǎn)生部位的關系，這只是一般規(guī)律，不要完全相信；既是規(guī)律又不能盡信是為什么？規(guī)律并不是在所有情況下成立，不同電源的差異也很大，所以原理是幫你分析，而不是按照方法去硬套；
 
二十二、EMC實例
 
開關電源EMC過不了？PCB畫板工程師責任大了！
 
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根據(jù)傳導實例，頻率的分布點關鍵是具體的數(shù)據(jù)與基頻之間的關系，這個測試完后，需要揣測這些數(shù)值的規(guī)律，可能能發(fā)現(xiàn)什么蛛絲馬跡；當然對于這些頻率如何通過濾波器去解決的手段前面也說過了；
 
這里是給大家補充一些似乎很神秘的EMC它是怎么來的，感覺不再神秘，而不只是稀里糊涂的采用濾波器解決了問題！
 
 
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