针对 EMI 设计 PCB，第 3 部分：分区和布线

本系列的第 1 部分介绍了数字信号如何通过 PC 板传播，第 2 部分介绍了实现低 EMI 的特定板层叠设计。第 3 部分将讨论电路部分的分区、高速走线的布线以及其他一些有助于降低 EMI 的布局实践。

除了正确的层堆叠之外，在电路板上布局电路时，下一个最重要的考虑因素是电路功能的划分，例如数字、模拟、功率转换、射频以及电机控制或其他高功率电路等。

在进行电路布局之前，我们必须首先了解并可视化高速电路走线下返回电流如何流动以及电磁场如何分布。在低频(大约低于 50 kHz)下，返回电流往往遵循最低电阻的路径。它们倾向于沿着源和负载之间的最短距离行进，如图 1中的绿色区域模拟的那样。

图 1低于 50 kHz 的返回电流场分布遵循电阻最小的路径。

在大约 50 kHz 至 100 kHz 范围内，由于信号路径之间的互阻抗耦合效应，返回电流倾向于遵循最低阻抗的路径。这些电流往往直接在源和负载之间的信号路径下方流动，如图2中的绿色区域所模拟。

图 2频率高于 50 kHz 时的返回电流场分布，将通过阻抗最小的路径返回源。

您现在可以理解为什么模拟电路应远离数字或其他噪声电路。防止这些“分散”的返回电流与噪声电路的返回电流混合。这就是分区如此重要的主要原因。

本系列的分区

第 1 部分描述了数字(和其他高频)信号如何通过电路板的电介质空间传播。为了避免信号耦合和串扰，不得允许不同的返回信号在同一电介质空间内混合。因此，需要对主要电路功能进行分区。图 3演示了一个分区示例。当然，随着电路板尺寸的缩小，这变得更具挑战性。

图 3如何在电路板上划分电路功能的示例。

现在知道低频信号返回往往会更加分散，我们可以看到任何模拟或低频电路都必须与数字、功率转换或电机控制器电路分开。同样，敏感的射频接收器电路(例如 GPS、蜂窝或 Wi-Fi 设备)也必须与数字、电源转换或电机控制器电路分开。

信号布线

以下是在 PCB 上布线信号时应遵循的一些准则，以最大程度地减少干扰。

返回平面中的间隙：所有接地返回平面 (GRP) 应尽可能坚固，并且设计时不得有长间隙或槽。如第 1 部分中所述，当高频走线穿过返回路径中的间隙时，就会产生共模电流源，该电流通常会在整个电路板上耦合并产生潜在的辐射发射故障。

图4这个例子有两个问题;我们有一个数字信号穿过 GRP 中的两个间隙，它还穿过一个“安静”的模拟平面。

这些共模电流耦合到电源和 I/O 电缆，然后辐射。但间隙也会导致介电空间内的场泄漏，这可能会从其他信号耦合到附近的过孔，从而导致类似于串扰的不必要的耦合。它还会直接从电路板引起“边缘辐射”。如果共模电流的谐波频率是电缆或电路板尺寸的 1/4 至 1/2 波长，它们将充当发射天线并辐射。

过孔穿透：通常，您需要将信号从顶部传输到底部(或内部层到内部层)，依靠过孔到达那里。如果您只需从 GRP 的一侧传递到另一侧，则没有问题，因为信号的电磁场包含在整个路径中(图 5)。

图 5将信号迹线穿过单个 GRP 允许沿整个路径进行场传播。为了清楚起见，未显示介电层，场传播由红色“波”表示。

只有当您需要穿过多个平面时，您可能无法在电磁波穿过电路板的介电空间时为其提供返回路径(图 6)。

图 6使信号走线穿过两个平面会导致介电空间内的场泄漏，除非添加定义的返回电流路径。为了清楚起见，未显示介电层，场传播由红色“波”表示。

如果平面之间没有传输线连续性(缝合通孔或电容器)，那么当信号试图找到返回源的路径时，整个电介质空间都会出现场泄漏。该场能量将耦合到其他通孔，并作为“边缘辐射”传播出去。

如果这两个平面是 GRP，那么您只需在信号过孔附近的至少一处位置将它们缝合在一起即可。这允许场沿着整个路径传播。正如我稍后将提到的，接地过孔矩阵始终是一种良好的做法，如果它们的位置非常接近(5 毫米间距即可)，则无需在每个穿透处专门定位一个。

然而，如果两个平面处于不同的电位，例如 GRP 和电源，则需要在信号过孔旁边安装拼接电容器。如果这样的电路板上有数十个信号穿透，则为每个信号穿透添加缝合电容器可能是不切实际的，因此这是在整个电路板上均匀分布去耦/缝合电容器的原因之一。这也将有助于减少“地弹”或同时开关噪声 (SSN)。

路由电源与电源层：传统方法是从一个或多个(取决于层数)电源接地“核心”开始，并从那里构建信号层，通常在核心的每一侧平等地构建信号层，以获得最佳的可制造性。通常，为此使用数字接地回路。另一个很大的优点是，当间距非常接近(小于 3 密耳)时，电源地磁芯将成为良好的高频去耦电容器。随着层数的增加，通常最好将两个或多个电源接地核心放置在更靠近堆叠顶部和底部的位置 - 通常位于第 2-3 层和第 6-7 层(例如，在八层板上) )。

缺点是需要缝合(或去耦)电容器来维持信号通过的传输线。其他电压轨通常在信号层上布线。

路由所有电源并使用一个或多个 GRP 有一大优势。也就是说，所有 GRP 都可以以矩阵形式缝合在一起，并且不需要专用的缝合电容器。当多个 GRP 位于外层时，可以围绕板的周边缝合在一起以形成法拉第屏蔽。

另一方面，每个数字设备的每个电源引脚或紧密的引脚分组都需要 2-3 个去耦电容器。此外，电源轨(通常是主要数字电压)应该在任何高di / dt设备周围有更广泛的覆盖，例如核心电压、驱动器、ASIC、电机控制器、处理器等。这将有助于充当高频去耦。

路由三元组：在您可能没有连续 GRP 的情况下，例如某些两层板设计，模拟和数字走线都可以作为“三元组”路由，其中一条返回走线与两条信号走线一起定位和路由。

接地浇注：用接地浇注填充信号走线之间的任何空间始终是一个好习惯。这些接地浇注必须在多个位置连接到电路板内的所有 GRP。这有两件事;它提供了额外的屏蔽以及信号返回路径，从生产的角度来看，它可以实现更好、更可靠的电路板设计。

多个接地过孔：最好创建一个接地过孔矩阵，使用大约 5 毫米的间距将所有接地浇注和 GRP 连接在一起。这将为穿透多个 GRP 层的信号提供多个返回路径。此外，如果您使用多个 GRP，则应通过缝合电路板外围进行设计，为中间的信号层创建法拉第笼。在设计中融入无线技术时，这项技术尤其重要。

最小化 EMI 的其他指南

时钟振荡器/晶体/驱动器：将时钟振荡器放置在靠近电路板(或数字分区)中心的位置，尽可能靠近它们所驱动的设备，并远离电路板边缘，尤其是 I/O 或电源连接器。

时钟走线：所有时钟走线都应该短且直接。避免沿着电路板边缘运行它们，因为这可能会物理耦合到电路板边缘并导致电路板谐振和随之而来的电路板辐射。

I/O 和电源连接器：如果可能，请将 I/O 和电源连接器沿板的单个边缘放置。一个连接器与另一个连接器的位置越远，在它们的连接器主体之间测量到的与 EMI 相关的噪声电压就越多。两根长电线之间的高频噪声源是什么?偶极天线!您希望最大限度地减少所有连接器之间的“噪声”压降。

RF 模块传输线：所有天线传输线应较短并直接连接到天线或天线端口连接器。这些应埋在两个 GRP 之间，并可能规定八个或更多层，以通过传输线上方和下方层中的“排除”区域来实现 50Ω 阻抗。此外，添加几行通过缝合，每隔 3 毫米到 5 毫米间隔，连接每条天线传输线每一侧的所有 GRP。这将提供额外的屏蔽。

以太网连接器：以太网连接器正下方应该有一个接地返回平面“禁止”区域。这将有助于从单端信号对过渡到平衡信号对。

都市传说

90 度转弯：已经充分证明，对于正常(至少达到几 GHz)数字走线，无需倒角或圆角。在需要的地方进行 90 度弯曲就可以了(参考文献 6、7 和 8)。

20H 规则：还有所谓的“20H 规则”，即电源层应从 GRP 边缘向后退 20 倍层厚。据说这有助于减少边缘场。如果不出意外的话，它只会使磁力线变长。

我怀疑还有更多，也许读者可以通过他们的评论添加到列表中。

我的许多客户都错误地设计了电路板，通常是从层叠开始，我觉得有必要转述我在过去三年的深入研究中学到的东西。我最近有幸参与的大多数项目都是物联网产品，从一开始就对电路板进行正确的分区和设计对于成功非常重要——不仅可以降低 EMI，还可以提高正确的接收灵敏度。机载无线技术。