通过设计 PCB对电路进行功能分区，避免噪声信号影响 EMI

在本文中，我将提供有关EMI分区的更多详细信息。虽然分区的概念很简单，但真正的电路板通常需要更多的思考。

当涉及混合信号设计时，分区尤其重要，例如模拟和数字或无线和数字的组合。我的许多客户将无线(蜂窝、Wi-Fi、蓝牙和 GPS)与数字处理和模拟(例如音频放大器或视频)结合在一起。对于小型移动或物联网设备，充分划分电路功能的重要性变得强制性，以消除数字开关电流对敏感接收器的干扰。

对于使用 700 MHz 至 900 MHz 范围内的美国 LTE 频段以及一直到 GPS 的蜂窝无线产品来说，这是一个大问题。来自数字处理器、存储器和开关模式电源 (SMPS) 电路的 EMI 会产生超出商业 GPS 频率 (1,575.42 MHz) 的谐波能量。今天的 SMPS IC 尤其令人讨厌，因为它们的边沿速度非常快，不到 1 ns 和高开关频率(通常为 1 MHz 至 3 MHz)。

高级分区

我提供了分区概念，通过将所有电路功能分开，我们可以避免噪声信号污染安静信号。概念简单，但对于真正的电路板通常很难实现!

这个概念图的问题在于，对于真正的电路板设计，我们需要考虑许多其他问题。例如，时钟的布线。我们可能不想在整个板上运行以太网和 USB 时钟。因此，一个重要方面是将这些功能定位在最靠近其关联连接器的位置。

此外，将 SMPS 电路放置在更靠近其供电设备的位置可能更有意义。但是，确保所有 SMPS 电路在同一层上运行并且必须有一个相邻的返回平面是至关重要的。我仍然会避免将 SMPS 电路放置在离无线模块或电路太近的地方——尤其是天线。

功率分布均由蓝线表示。实际上，实际电路板上的配电可能是电源平面(典型值为 3.3 V)和电源多边形的组合，或者为其他所需的电源轨布线更宽的走线。这种配电还应该有一个相邻的返回平面，它可以捕获由于“接地反弹”开关电流引起的瞬态场。

使用趋肤深度

另一种划分方法是使用同一返回平面的相对侧将数字电路与射频或模拟电路分开。我们可以这样做，因为在这些高频下的集肤效应会导致数字电流和射频电流仅沿着返回平面的表面传播，并且该层足够薄，以至于返回电流不会混合。这就像在这些高频下有两个单独的平面靠近但不接触。

例如，在 10 MHz 时，铜的趋肤深度为 0.8 mil，在 100 MHz 时为 0.26 mil(注 1)。大多数信号电流将处于该第一趋肤深度。一盎司铜平面为 1.4 密耳，因此您可以看到在平面每一侧流动的返回信号电流不太可能在中间合并在一起;从而创建了一个理论上的“双层”铜导电平面。

这是一个使用此概念的堆叠想法，我已经看到移动设备制造商成功地使用了它。如果我们在电路板的顶部填充所有射频/无线组件，在底部填充数字、电源转换和控制(同时小心为所有从顶部到底部转换的信号添加返回路径)，理论上，场来自一个平面顶部的能量不会污染另一个平面的电流。

请注意，我们将主电源分配(通常为 3.3 V)保持在堆叠的中心。非常复杂的电路可能需要额外的层，具体取决于电路功能的数量。最近的一个例子是具有蜂窝、Wi-Fi、蓝牙、数字视频和音频的移动视频平台，它使用 10 层堆叠来分离功能块。当然，有很多方法可以实现这一目标。以图 4 为例。

分割平面

我经常被问到我对分割模拟和数字平面的看法，以将数字噪声电流与敏感的模拟信号隔离开来。许多 A/D 和 D/A 制造商在其应用笔记中建议使用这种技术，甚至提供 PC 板布局方向。

这仍然是一个持续的辩论，我的观点是，有一些条件可以保证这种技术。对于大多数设计，如果正确使用分区，它将固有地在嘈杂和敏感的电路功能之间提供隔离，即使对于 A/D 和 D/A 应用也是如此。对于后一种情况，让模拟迹线远离数字迹线很重要。显然，我们不想在间隙中运行任何类型的痕迹。

分离平面时的真正问题是两者之间总会存在一些高频电压差，如果连接 I/O 电缆的平面接近半波长的很大一部分，则可以将其建模为偶极天线，并且导致辐射发射和各种抗扰度问题。

少数例外之一(还有其他一些例外，例如远程传感器)是需要对线路操作的医疗设备进行患者隔离。显示了一个典型的接地图，其中模拟探头处理以模拟回路为参考，数字处理电路以数字回路为参考，电源以大地为参考。理想情况下，数字和电源返回将在电源连接器处连接在一起。该隔离设备可以是专用的隔离耦合器 IC、光耦合器或其他几个类似设备。

在实践中，为复杂电路设计真正的 PC 板并不适合胆小的人。在电路的划分、堆叠决策以及电源和高频信号的路由之间总是需要权衡取舍。但是，如果遵循基本设计规则;那是：

· 为信号和配电层保留相邻的返回平面

· 确保在通过层转换时存在返回路径

· 尽可能划分不同的电路功能

然后，您将有更大的机会使噪声信号远离安静信号，并且大大降低了辐射发射、辐射抗扰度、ESD 和 EFT 合规性的风险。

最重要的是，高频数字信号在电介质空间内传播，而不是通过铜。一旦您意识到这一点，您就可以避免嘈杂的数字信号与低电平模拟或射频信号共享相同的介电空间的问题，并且“第一次做对”的机会就会大得多!