针对 EMI 设计 PCB，第 1 部分：信号如何移动

[导读]在帮助客户使其产品符合 EMI 要求后，我发现了一个根本问题：印刷电路板设计不佳。根据我的经验，物联网产品设计人员会遇到因印刷电路板设计不良而导致的问题。当板载能源破坏敏感的接收器电路时，不良的设计可能会导致无限的延迟，从而导致蜂窝合规性失败。 GPS 和 Wi-Fi 接收器也会失去灵敏度。

在帮助客户使其产品符合 EMI 要求后，我发现了一个根本问题：印刷电路板设计不佳。根据我的经验，物联网产品设计人员会遇到因印刷电路板设计不良而导致的问题。当板载能源破坏敏感的接收器电路时，不良的设计可能会导致无限的延迟，从而导致蜂窝合规性失败。 GPS 和 Wi-Fi 接收器也会失去灵敏度。

在第 1 部分中，您将了解信号如何通过 PCB 走线移动以及电磁场如何影响该移动。在第 2 部分中，我将对比好 PCB 叠层和差 PCB 叠层之间的差异。第 3 部分介绍信号布线和电路板分区，您将在第 4 部分中找到有关分区的更多详细信息。

造成不良 EMI 设计的因素有很多。这些包括：

· 将噪声电路(例如电源和电机转换)与数字和敏感模拟电路混合在一起。

· 将时钟驱动器放置得太靠近板边缘或敏感电路。

· 不良走线会导致串扰。

· 运行时钟(或高速)在返回平面的间隙/槽上进行跟踪。

· 最重要的是，不正确的层堆叠。

我已经解决了返回平面间隙上交叉时钟走线的问题(参考文献 1、2)。然而，修复有关层堆叠的最后一项通常可以纠正许多问题，包括列表中的许多其他项目。

在参加大学电路课程时，我们大多数人都被错误地教导了直流和交流电流如何在集总或分布式(传输线)电路中工作。在我们的“场和波”课程中，我们不太可能接受有关电路板设计或通过电路板的信号传播的实际应用的指导。事实上，这两个概念(电路和场)在通过微带线或带状线传播数字信号时一起工作(互补)。

在了解信号如何在 PC 板中传播之前，您必须首先了解一些物理原理。

我们都被告知“电流”是铜中电子的流动。这很接近事实，只是我们倾向于认为是正电流——缺少电子，通常称为“空穴”。然而，电子和它们留下的“空穴”(正电荷)移动速度非常缓慢。

当然，对于直流电路来说，这种电流流动是正确的(初始电池连接瞬态除外)。但对于交流(或射频)电路或开关模式电源的“直流”输出(带有瞬态)，我们需要了解所有连接线/迹线现在都必须被视为传输线。

首先，让我们考虑一下电容器如何允许电子流动。毕竟，这不是去耦电容器的工作原理吗?参考图 1，如果我们将电池应用于电容器，则施加到顶板上的任何正电荷都会排斥底板上的正电荷，留下负电荷。如果我们向电容器施加交流电源，您可能会假设电流流过电介质，这是不可能的。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)将这种现象称为“位移电流”，其中正电荷仅取代相对板上的正电荷，留下负电荷，反之亦然。该位移电流定义为dE / dt(电场随时间变化)。

图 1通过电容器的位移电流的概念。

您还应该意识到，由于铜分子的原子键非常紧密，电子和带正电的空穴在铜中的运动速度并不接近光速，而是以约 1 厘米/秒的速度运动(参考文献 4) 。当然存在自由电子和空穴云，但它们在分子之间缓慢移动。这称为传导电流，我们可以用电流表测量。传导电流与 B 场的切向分量有关，即旋度 B = J。

铜分子中的一个电子对其邻近电子(以及沿着传输线)的影响以介电材料中电磁场的速度传播。换句话说，摇动微带一端的一个电子，它就会摇动下一个电子，再摇动下一个电子，依此类推，直到摇动末端的最后一个电子。这种晃动在电场中被称为扭结，可以想象为牛顿摇篮玩具，这是一种机械类比，其中第一个球撞击下一个球，最终从末端球弹出(图 2)。