本系列的第 1 部分介紹了數(shù)字信號如何通過 PC 板傳播，第 2 部分介紹了實(shí)現(xiàn)低 EMI 的特定板層疊設(shè)計。第 3 部分將討論電路部分的分區(qū)、高速走線的布線以及其他一些有助于降低 EMI 的布局實(shí)踐。

除了正確的層堆疊之外，在電路板上布局電路時，下一個最重要的考慮因素是電路功能的劃分，例如數(shù)字、模擬、功率轉(zhuǎn)換、射頻以及電機(jī)控制或其他高功率電路等。

在進(jìn)行電路布局之前，我們必須首先了解并可視化高速電路走線下返回電流如何流動以及電磁場如何分布。在低頻(大約低于 50 kHz)下，返回電流往往遵循最低電阻的路徑。它們傾向于沿著源和負(fù)載之間的最短距離行進(jìn)，如圖 1中的綠色區(qū)域模擬的那樣。

圖 1低于 50 kHz 的返回電流場分布遵循電阻最小的路徑。

在大約 50 kHz 至 100 kHz 范圍內(nèi)，由于信號路徑之間的互阻抗耦合效應(yīng)，返回電流傾向于遵循最低阻抗的路徑。這些電流往往直接在源和負(fù)載之間的信號路徑下方流動，如圖2中的綠色區(qū)域所模擬。

圖 2頻率高于 50 kHz 時的返回電流場分布，將通過阻抗最小的路徑返回源。

您現(xiàn)在可以理解為什么模擬電路應(yīng)遠(yuǎn)離數(shù)字或其他噪聲電路。防止這些“分散”的返回電流與噪聲電路的返回電流混合。這就是分區(qū)如此重要的主要原因。

本系列的分區(qū)

第 1 部分描述了數(shù)字(和其他高頻)信號如何通過電路板的電介質(zhì)空間傳播。為了避免信號耦合和串?dāng)_，不得允許不同的返回信號在同一電介質(zhì)空間內(nèi)混合。因此，需要對主要電路功能進(jìn)行分區(qū)。圖 3演示了一個分區(qū)示例。當(dāng)然，隨著電路板尺寸的縮小，這變得更具挑戰(zhàn)性。

圖 3如何在電路板上劃分電路功能的示例。

現(xiàn)在知道低頻信號返回往往會更加分散，我們可以看到任何模擬或低頻電路都必須與數(shù)字、功率轉(zhuǎn)換或電機(jī)控制器電路分開。同樣，敏感的射頻接收器電路(例如 GPS、蜂窩或 Wi-Fi 設(shè)備)也必須與數(shù)字、電源轉(zhuǎn)換或電機(jī)控制器電路分開。

信號布線

以下是在 PCB 上布線信號時應(yīng)遵循的一些準(zhǔn)則，以最大程度地減少干擾。

返回平面中的間隙：所有接地返回平面 (GRP) 應(yīng)盡可能堅固，并且設(shè)計時不得有長間隙或槽。如第 1 部分中所述，當(dāng)高頻走線穿過返回路徑中的間隙時，就會產(chǎn)生共模電流源，該電流通常會在整個電路板上耦合并產(chǎn)生潛在的輻射發(fā)射故障。

圖4這個例子有兩個問題;我們有一個數(shù)字信號穿過 GRP 中的兩個間隙，它還穿過一個“安靜”的模擬平面。

這些共模電流耦合到電源和 I/O 電纜，然后輻射。但間隙也會導(dǎo)致介電空間內(nèi)的場泄漏，這可能會從其他信號耦合到附近的過孔，從而導(dǎo)致類似于串?dāng)_的不必要的耦合。它還會直接從電路板引起“邊緣輻射”。如果共模電流的諧波頻率是電纜或電路板尺寸的 1/4 至 1/2 波長，它們將充當(dāng)發(fā)射天線并輻射。

過孔穿透：通常，您需要將信號從頂部傳輸?shù)降撞?或內(nèi)部層到內(nèi)部層)，依靠過孔到達(dá)那里。如果您只需從 GRP 的一側(cè)傳遞到另一側(cè)，則沒有問題，因?yàn)樾盘柕碾姶艌霭谡麄€路徑中(圖 5)。

圖 5將信號跡線穿過單個 GRP 允許沿整個路徑進(jìn)行場傳播。為了清楚起見，未顯示介電層，場傳播由紅色“波”表示。

只有當(dāng)您需要穿過多個平面時，您可能無法在電磁波穿過電路板的介電空間時為其提供返回路徑(圖 6)。

圖 6使信號走線穿過兩個平面會導(dǎo)致介電空間內(nèi)的場泄漏，除非添加定義的返回電流路徑。為了清楚起見，未顯示介電層，場傳播由紅色“波”表示。

如果平面之間沒有傳輸線連續(xù)性(縫合通孔或電容器)，那么當(dāng)信號試圖找到返回源的路徑時，整個電介質(zhì)空間都會出現(xiàn)場泄漏。該場能量將耦合到其他通孔，并作為“邊緣輻射”傳播出去。

如果這兩個平面是 GRP，那么您只需在信號過孔附近的至少一處位置將它們縫合在一起即可。這允許場沿著整個路徑傳播。正如我稍后將提到的，接地過孔矩陣始終是一種良好的做法，如果它們的位置非常接近(5 毫米間距即可)，則無需在每個穿透處專門定位一個。

然而，如果兩個平面處于不同的電位，例如 GRP 和電源，則需要在信號過孔旁邊安裝拼接電容器。如果這樣的電路板上有數(shù)十個信號穿透，則為每個信號穿透添加縫合電容器可能是不切實(shí)際的，因此這是在整個電路板上均勻分布去耦/縫合電容器的原因之一。這也將有助于減少“地彈”或同時開關(guān)噪聲 (SSN)。

路由電源與電源層：傳統(tǒng)方法是從一個或多個(取決于層數(shù))電源接地“核心”開始，并從那里構(gòu)建信號層，通常在核心的每一側(cè)平等地構(gòu)建信號層，以獲得最佳的可制造性。通常，為此使用數(shù)字接地回路。另一個很大的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)間距非常接近(小于 3 密耳)時，電源地磁芯將成為良好的高頻去耦電容器。隨著層數(shù)的增加，通常最好將兩個或多個電源接地核心放置在更靠近堆疊頂部和底部的位置 - 通常位于第 2-3 層和第 6-7 層(例如，在八層板上) )。

缺點(diǎn)是需要縫合(或去耦)電容器來維持信號通過的傳輸線。其他電壓軌通常在信號層上布線。

路由所有電源并使用一個或多個 GRP 有一大優(yōu)勢。也就是說，所有 GRP 都可以以矩陣形式縫合在一起，并且不需要專用的縫合電容器。當(dāng)多個 GRP 位于外層時，可以圍繞板的周邊縫合在一起以形成法拉第屏蔽。

另一方面，每個數(shù)字設(shè)備的每個電源引腳或緊密的引腳分組都需要 2-3 個去耦電容器。此外，電源軌(通常是主要數(shù)字電壓)應(yīng)該在任何高di / dt設(shè)備周圍有更廣泛的覆蓋，例如核心電壓、驅(qū)動器、ASIC、電機(jī)控制器、處理器等。這將有助于充當(dāng)高頻去耦。

路由三元組：在您可能沒有連續(xù) GRP 的情況下，例如某些兩層板設(shè)計，模擬和數(shù)字走線都可以作為“三元組”路由，其中一條返回走線與兩條信號走線一起定位和路由。

接地澆注：用接地澆注填充信號走線之間的任何空間始終是一個好習(xí)慣。這些接地澆注必須在多個位置連接到電路板內(nèi)的所有 GRP。這有兩件事;它提供了額外的屏蔽以及信號返回路徑，從生產(chǎn)的角度來看，它可以實(shí)現(xiàn)更好、更可靠的電路板設(shè)計。

多個接地過孔：最好創(chuàng)建一個接地過孔矩陣，使用大約 5 毫米的間距將所有接地澆注和 GRP 連接在一起。這將為穿透多個 GRP 層的信號提供多個返回路徑。此外，如果您使用多個 GRP，則應(yīng)通過縫合電路板外圍進(jìn)行設(shè)計，為中間的信號層創(chuàng)建法拉第籠。在設(shè)計中融入無線技術(shù)時，這項(xiàng)技術(shù)尤其重要。

最小化 EMI 的其他指南

時鐘振蕩器/晶體/驅(qū)動器：將時鐘振蕩器放置在靠近電路板(或數(shù)字分區(qū))中心的位置，盡可能靠近它們所驅(qū)動的設(shè)備，并遠(yuǎn)離電路板邊緣，尤其是 I/O 或電源連接器。

時鐘走線：所有時鐘走線都應(yīng)該短且直接。避免沿著電路板邊緣運(yùn)行它們，因?yàn)檫@可能會物理耦合到電路板邊緣并導(dǎo)致電路板諧振和隨之而來的電路板輻射。

I/O 和電源連接器：如果可能，請將 I/O 和電源連接器沿板的單個邊緣放置。一個連接器與另一個連接器的位置越遠(yuǎn)，在它們的連接器主體之間測量到的與 EMI 相關(guān)的噪聲電壓就越多。兩根長電線之間的高頻噪聲源是什么?偶極天線!您希望最大限度地減少所有連接器之間的“噪聲”壓降。

RF 模塊傳輸線：所有天線傳輸線應(yīng)較短并直接連接到天線或天線端口連接器。這些應(yīng)埋在兩個 GRP 之間，并可能規(guī)定八個或更多層，以通過傳輸線上方和下方層中的“排除”區(qū)域來實(shí)現(xiàn) 50Ω 阻抗。此外，添加幾行通過縫合，每隔 3 毫米到 5 毫米間隔，連接每條天線傳輸線每一側(cè)的所有 GRP。這將提供額外的屏蔽。

以太網(wǎng)連接器：以太網(wǎng)連接器正下方應(yīng)該有一個接地返回平面“禁止”區(qū)域。這將有助于從單端信號對過渡到平衡信號對。

都市傳說

90 度轉(zhuǎn)彎：已經(jīng)充分證明，對于正常(至少達(dá)到幾 GHz)數(shù)字走線，無需倒角或圓角。在需要的地方進(jìn)行 90 度彎曲就可以了(參考文獻(xiàn) 6、7 和 8)。

20H 規(guī)則：還有所謂的“20H 規(guī)則”，即電源層應(yīng)從 GRP 邊緣向后退 20 倍層厚。據(jù)說這有助于減少邊緣場。如果不出意外的話，它只會使磁力線變長。

我懷疑還有更多，也許讀者可以通過他們的評論添加到列表中。

我的許多客戶都錯誤地設(shè)計了電路板，通常是從層疊開始，我覺得有必要轉(zhuǎn)述我在過去三年的深入研究中學(xué)到的東西。我最近有幸參與的大多數(shù)項(xiàng)目都是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，從一開始就對電路板進(jìn)行正確的分區(qū)和設(shè)計對于成功非常重要——不僅可以降低 EMI，還可以提高正確的接收靈敏度。機(jī)載無線技術(shù)。