“本文件總結了七個常見的 PCB 設計錯誤，這些錯誤可能導致產品在認證過程中失敗，特別是在電磁兼容性（EMC）和射頻（RF）方面。”

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什么是產品認證？

產品認證是一種由獨立的第三方機構對企業的產品進行測試、檢驗和審核，以證明其符合特定的標準、技術規范或法規要求的活動。

產品認證主要可以分為兩大類：

1. 強制性認證，也就是由國家法律法規強制要求執行的認證。比如中國的CCC認證、歐盟的CE標志都屬于強制性要求。

2. 自愿性認證，即企業根據自身需求、客戶要求或市場推廣需要，自愿申請的認證。它不是法律強制的。比如美國的UL認證、德國的GS認證在很多情況下都屬于自愿性認證。

不同國家和地區有自己的一套認證體系。如果您的產品計劃銷往全球，就需要了解目標市場的準入要求。以下是一些最常見的產品認證：

歐洲

• CE (Conformité Européenne)

  • 性質：強制性。

  • 適用地區：歐盟（EU）及歐洲自由貿易聯盟（EFTA）國家。

  • 簡介：被視為產品進入歐洲市場的“護照”。產品貼上CE標志，即表示其符合歐盟在安全、衛生、環保和消費者保護等方面的一系列指令要求。它不代表質量好壞，而是代表滿足了最基本的安全要求。

• GS (Geprüfte Sicherheit)

  • 性質：自愿性。

  • 適用地區：主要為德國，但在整個歐洲乃至全球都有很高的認可度。

  • 簡介：“GS”意為“安全性已認證”。它是一項基于德國產品安全法的認證，比CE要求更嚴格，包含了對工廠生產流程的年審。因此，擁有GS標志的產品通常被認為具有更高的安全性和可靠性。

• RoHS (Restriction of Hazardous Substances)

  • 性質：強制性。

  • 適用地區：歐盟。

  • 簡介：一項環保指令，旨在限制電子電氣設備中某些有害物質（如鉛、汞、鎘等）的含量，以保護環境和人類健康。現在全球很多國家也推出了類似的法規。

北美地區

• FCC 認證 (Federal Communications Commission)

  • 性質：強制性。

  • 適用地區：美國。

  • 簡介：主要針對所有會產生射頻輻射的電子產品（幾乎涵蓋所有電子設備），以確保這些產品產生的電磁干擾（EMI）在規定范圍內，不會影響無線電通信的安全。

• UL 認證 (Underwriters Laboratories)

  • 性質：自愿性（但在法律和市場上常被視為“準強制性”）。

  • 適用地區：主要為美國，全球認可度高。

  • 簡介：全球最知名的安全測試和認證機構之一。UL標準非常嚴苛，專注于產品的安全性能。雖然法律上非強制，但大多數美國零售商和保險機構都要求產品通過UL認證，否則拒絕銷售或承保。

• ETL 標志 (ETL Listed Mark)

  • 性質：自愿性。

  • 適用地區：美國和加拿大。

  • 簡介：與UL類似，ETL也是產品安全的證明。如果一個產品帶有ETL標志，說明它滿足了和UL相同的安全標準。它是UL的一個有力競爭者，同樣被廣泛接受。

中國

• CCC 認證 (China Compulsory Certification)

  • 性質：強制性。

  • 適用地區：中國大陸。

  • 簡介：被稱為“中國強制性產品認證”，是中國政府為保護消費者人身安全和國家安全、加強產品質量管理、依照法律法規實施的一種產品合格評定制度。目錄內的產品（如家電、電子設備、汽車零部件等）必須獲得此認證才能在中國市場銷售。

• CQC 認證 (China Quality Certification Centre)

  • 性質：自愿性。

  • 適用地區：中國。

  • 簡介：由中國質量認證中心開展的自愿性產品認證業務。當產品不在CCC強制目錄內時，企業可以通過CQC認證來證明其在安全、性能、環保等方面符合更高的標準，以提升品牌形象。

其他地區和國際體系

• PSE 認證 (Product Safety of Electrical Appliance & Materials)

  • 性質：強制性。

  • 適用地區：日本。

  • 簡介：是日本的電器用品安全法認證，規定了特定電器產品必須通過安全認證才能進入日本市場。

• KC 認證 (Korea Certification)

  • 性質：強制性。

  • 適用地區：韓國。

  • 簡介：韓國為了統一認證標志而推出的制度，整合了多個不同的強制性認證，涵蓋了安全、健康、環境等多個方面。

• CB 體系 (IECEE CB Scheme)

  • 性質：國際互認體系。

  • 簡介：這不是一個直接面向消費者的認證標志，而是一個電工產品安全測試報告的國際互認體系。企業在一個成員國的認證機構獲得CB測試證書后，可以更便捷地轉換為其他成員國的認證證書（如CE、UL、CCC等）

PCB 設計錯誤導致的認證失敗

先來看一個長圖：

在電子產品開發中，產品認證，特別是在電磁兼容性（EMC）與射頻（RF）方面的合規性，是決定產品能否順利上市的關鍵瓶頸。認證失敗不僅會導致成本高昂的重新設計與額外的測試費用，更會嚴重拖延產品上市周期。

電磁兼容性（EMC）：布局設計的核心原則

多數認證失敗的直接原因在于產品產生了過度的電磁輻射，或對外界電磁干擾表現出高度敏感性。其中接地和電源完整性是重中之重。

一個常見的設計缺陷是未能為高速信號走線提供連續、低阻抗的返回路徑。

當信號路徑下方缺乏完整的參考平面（例如，走線跨越分割的地平面），其返回電流將被迫繞行，形成一個較大的環路面積。這使得信號走線及其返回路徑構成一個高效的偶極天線，從而向外輻射電磁噪聲。同樣，地平面的碎片化，因過孔或布線被過度切割而導致的不連續，也會中斷返回路徑，顯著增加EMI風險。對于原型設計中常見的雙層板，雖然成本低廉，但其通過敷銅形成的拼湊式接地網絡，極易被信號走線分割，這些碎片化的接地區域可能演變為意外的輻射天線，而非噪聲抑制屏障。因此，為確保認證成功，尤其對于包含無線功能的設計，采用具有專用、完整接地內層的多層板非常重要。

此外，噪聲的源頭管理同樣關鍵。開關穩壓器因其高頻切換特性，是主要的噪聲源之一。如果其布局不當，例如存在較長的開關環路或不良的接地連接，就會在寬頻率范圍內產生強烈的電磁輻射，嚴重影響EMC測試結果。同時，電源輸入端口是傳導騷擾進入或流出設備的主要通道，必須通過鐵氧體磁珠、大容量電容或LC濾波器等手段進行充分濾波，以滿足傳導輻射標準。

認證的是產品，不是單個 PCB

產品認證的對象并非孤立的PCB，而是包含外殼、線纜、連接器在內的完整終端產品。在裸板狀態下測試通過，但在裝入外殼并連接線纜后失敗，是極為常見的情形。外部接口，如USB、電源插孔或任何連接長導線的GPIO，都是潛在的“天線”，極易耦合噪聲并向外輻射，或將外部干擾引入系統內部。因此，對這些接口進行適當的濾波、屏蔽和ESD保護是必不可少的。

同樣，外殼本身也會對EMC和RF性能產生決定性影響。一個接地不良的金屬外殼可能形成諧振腔，放大特定頻率的噪聲，或者本身變成一個巨大的輻射天線。因此，測試和驗證必須在最終產品形態下進行，以確保結果的有效性。

射頻（RF）與安全性的特殊考量

對于集成了藍牙、Wi-Fi等無線通信功能的產品，天線的設計與布局直接關系到RF認證的成敗。天線性能對周圍環境極為敏感，若將其置于過于靠近地平面、金屬外殼或其他高頻噪聲組件（如開關穩壓器、晶體振蕩器）的位置，會導致其阻抗失配、輻射效率降低、通信距離縮短，甚至因雜散發射超標而無法通過認證。即便使用預認證的無線模塊，如果未能嚴格遵循其參考設計中關于天線周圍接地間隙和禁布區的規定，同樣會使模塊的認證失效。

最后，對于涉及交流市電或高壓電路的設計，安全認證是不可逾越的紅線。必須嚴格遵守目標市場的安全標準，確保高壓與低壓電路之間有足夠的物理隔離，包括滿足爬電距離和電氣間隙的要求。在布局時，應清晰劃分高低壓區域，并移除隔離帶下方的任何銅箔，以防止潛在的安全隱患。

產品開發過程中的潛在問題

產品設計初期

• 忽略了 EMC 設計：在PCB布局中，信號走線過長且沒有實心回流路徑（如跨越分割地平面），可能導致走線像天線一樣輻射噪聲。

• 地平面碎片化（被過孔或布線切割），破壞低阻抗回流路徑，增加輻射。

• 電源輸入未進行充分濾波（缺少鐵氧體磁珠、大容量電容或LC濾波器），導致傳導發射問題。

• 開關穩壓器布局不佳（長環路或接地不良），在寬頻率范圍內輻射，影響EMC結果。

• 依賴雙層板設計： 嘗試使用雙層板進行認證產品設計，而不是具有專用內部地平面的多層板，這使得難以獲得連續干凈的地平面。

• 外部接口缺乏屏蔽或濾波： USB、電源插孔、天線甚至長GPIO等連接到外部世界的接口未添加鐵氧體磁珠、ESD保護或共模扼流圈。

• 誤解認證范圍： 認為認證僅適用于PCB或電子元件，而非整個產品（PCB、外殼、布線、連接器等）。

• 天線放置或接地不良：將天線放置得離地平面、外殼或其他嘈雜元件太近，影響無線性能（如范圍縮小、特性失諧）。

• 更改預認證模塊天線周圍的布局（尤其是接地間隙或禁區），可能使認證失效。

• 高低壓之間缺乏隔離： 未在高壓電路（連接到交流電源、電源轉換等）和低壓電路之間考慮爬電距離、電氣間隙和隔離。

• 將噪聲元件放置在敏感走線附近： 將開關穩壓器、晶體振蕩器、數字總線等高速或噪聲元件放置在敏感模擬走線、天線或RF路徑附近。

設計優化與測試準備階段

• 積極進行EMC設計：考慮發射和抗擾度，確保信號走線有連續參考地，避免地平面碎片化，在電源輸入端添加適當濾波，優化電源供應布局。

• 選擇合適的PCB層數： 對于需要認證的產品，使用四層或更多層板，并分配一個內部層作為專用地平面，以提供一致的回流路徑。

• 為外部接口增加保護： 對所有外部接口添加濾波和保護，確保回流路徑可靠。

• 整體產品考慮： 在設計時就將外殼、布線和連接器等納入考慮，并計劃測試最終組裝好的產品，而不是裸板。

• 優化天線布局： 遵循參考布局，留出建議的天線間隙，避免附近布線，不要放置在金屬部件下方。

• 確保高低壓隔離： 關注爬電距離和電氣間隙，移除隔離區域下方的銅箔，并遵循目標市場的標準。

• 優化元件布局： 將噪聲和安靜區域分組，在需要時使用屏蔽，并保持敏感的模擬和RF區域與高速數字區域物理隔離。

認證測試階段

• 產品提交認證實驗室：產品進入耗時且昂貴的認證流程。

• EMC測試：如果設計輻射噪聲過大或對干擾過于敏感，則會EMC測試失敗（無論是美國的FCC還是歐洲的CE）。

• 如果板子單獨通過，但連接電纜后失敗，通常是由于外部接口缺乏屏蔽或濾波。

• 有意輻射體測試（針對無線產品）： 如果產品包含藍牙、Wi-Fi或其他無線電，可能需要進行此測試。天線設計不佳可能導致雜散發射或輻射功率不足而失敗。

• 安全測試（針對高壓產品）： 如果有高壓電路，需要考慮安全測試，如爬電距離、電氣間隙和隔離。

結束語

學習完之后，是否對安規認證及 EMC 測試有了大概的了解？最后用一個小測驗考驗一下學習的成果。請用2-3句話簡要回答以下問題。

1. 為什么在PCB設計初期考慮認證而非僅關注功能性至關重要？
2. 在EMC測試中，長信號走線若沒有可靠的回流路徑，為何會成為問題？
3. 雙層板在認證中常遇到的一個主要問題是什么，以及它如何影響EMI？
4. 為什么說“誤以為只需認證PCB”是一個常見的錯誤？產品認證的實際范圍是什么？
5. 在帶有無線電功能的PCB設計中，天線放置不當可能導致哪些主要認證問題？
6. 當產品包含高壓電路時，為了通過安全認證，設計師需要重點關注哪兩個關鍵物理距離？
7. 解釋地平面碎片化對PCB設計中回流路徑和輻射發射的影響。
8. 除了PCB板本身，哪些產品部件也會影響整體產品的認證結果？
9. 為了避免外部接口引起輻射發射問題，通常需要添加哪些類型的組件

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參考文檔：1.https://www.youtube.com/watch?v=Q8Dpxe19CbU