【導(dǎo)讀】本系列文章共五部分，從電磁場（EM）基本物理原理出發(fā)，系統(tǒng)闡述如何讓PCB一次通過EMI合規(guī)性測試。前兩部分揭示了輻射與干擾的物理根源——它們并非隨機(jī)現(xiàn)象，而是未受約束場的可預(yù)測后果；第3和第4部分則將原則轉(zhuǎn)化為具體布局工作流程：從原理圖整理、元器件放置、接地架構(gòu)選擇到疊層設(shè)計(jì)。作為收官之作，本文聚焦特殊布局要求——精密模擬電路的接地保真度、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸中的屏蔽與防護(hù)策略，以及常被忽視卻至關(guān)重要的熱管理。
引言
電磁干擾(EMI)合規(guī)性常被視為最后的障礙而非設(shè)計(jì)目標(biāo)，往往在原理圖完成、PCB布局結(jié)束甚至原型板制成后才予以考慮。本系列文章的核心觀點(diǎn)是：合規(guī)性不應(yīng)是意外結(jié)果；如果從首次原理圖審查開始就充分考慮電磁場因素，PCB完全可以實(shí)現(xiàn)一次通過測試。第1和第2部分從物理層面論證了電磁輻射和干擾并非隨機(jī)或神秘現(xiàn)象，而是未受約束場的可預(yù)測后果；同時(shí)證明抑制輻射的布局準(zhǔn)則同樣能提高PCB對(duì)外部場的抗擾度。第3和第4部分將基本原則轉(zhuǎn)化為循序漸進(jìn)的基礎(chǔ)布局工作流程：整理原理圖、基于布局意圖放置元器件、選擇合適的接地架構(gòu)、優(yōu)先布設(shè)電源系統(tǒng)、選擇能為每個(gè)信號(hào)提供場約束的層數(shù)和疊層結(jié)構(gòu)。在此框架基礎(chǔ)上，最后一篇文章將討論能夠區(qū)分普通布局與優(yōu)良布局的特殊考量因素。
精密/高精度模擬電路
就精密或高精度模擬電路而言（暫且不提全差分信號(hào)鏈這一“捷徑”），接地保真度是實(shí)現(xiàn)模擬精度的關(guān)鍵因素。低頻電流總是沿能量最低路徑回流至源頭，因此任何以地為回路的耗電電路都會(huì)在低頻下產(chǎn)生地電位梯度（及噪聲）。例如，對(duì)于方阻為0.5mΩ/平方的1盎司銅平面：PCB上一個(gè)正方形區(qū)域內(nèi)的100mA回流電流會(huì)產(chǎn)生0.5mΩ × 0.1A = 50μV的壓降。對(duì)于精密測量而言，此偏置電壓相當(dāng)可觀。元器件位置對(duì)此問題影響顯著。減小此類誤差的方法多種多樣，包括優(yōu)化元器件布局、使回流電流經(jīng)負(fù)電源而非地平面返回、用接地樹替代信號(hào)走線的接地平面、在地平面上開槽以引導(dǎo)地電流，或采用板級(jí)差分信號(hào)傳輸。
屏蔽、防護(hù)與靜電
接下來要介紹的主題適用于任何手持式PCB或與外部有電纜連接的PCB。其核心在于如何在一定距離上連接兩個(gè)接地系統(tǒng)。正是這段空間或距離提供了額外的耦合途徑，使得遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸變得困難。圖1展示了這一問題。
相距較遠(yuǎn)的第二個(gè)接地系統(tǒng)很可能與PCB接地系統(tǒng)電位不同。造成此現(xiàn)象的原因不止一個(gè)。
雷電
假設(shè)兩個(gè)系統(tǒng)接地相連且相隔一定距離。再假設(shè)每個(gè)接地系統(tǒng)均與大地存在連接（直接連接或電容耦合）。最后，將大地視為構(gòu)成完整回路的最終導(dǎo)體（見圖1）。根據(jù)法拉第定律，附近的雷擊可在該大型閉合回路中感應(yīng)出電壓，從而在地環(huán)路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。
設(shè)備的接地電流
所有布局不完善的設(shè)備都可能將電流耦合至機(jī)殼地。這種耦合電流的回流路徑可能導(dǎo)致相距較遠(yuǎn)的接地點(diǎn)之間產(chǎn)生壓降。這是地環(huán)路電流的第二個(gè)成因。
共模電流
在隔離系統(tǒng)中，與上述設(shè)備電流相關(guān)，跨越隔離柵耦合的電流可能導(dǎo)致相距較遠(yuǎn)的接地點(diǎn)之間產(chǎn)生壓降。這是地環(huán)路電流的第三個(gè)成因。
屏蔽是解決上述所有問題的有效方案。圖1展示了兩個(gè)接地系統(tǒng)間正確屏蔽的連接方式。該方案并未消除接地系統(tǒng)間的電流流動(dòng)，而是將電流引導(dǎo)至不影響模擬功能或測量的路徑上。
防護(hù)是與屏蔽密切相關(guān)的一個(gè)主題。防護(hù)的目的是防止交流或直流信號(hào)耦合至敏感PCB走線或特定電纜導(dǎo)體。具體做法是用第二根導(dǎo)體包圍敏感導(dǎo)體，由被防護(hù)網(wǎng)絡(luò)處測得的電壓的緩沖來驅(qū)動(dòng)。當(dāng)該導(dǎo)體與外部環(huán)境之間無電壓差時(shí)，便不會(huì)產(chǎn)生耦合電流。
圖1：利用儀器屏蔽和安全屏蔽在遠(yuǎn)程接地系統(tǒng)上測量信號(hào)以避免共模干擾的方法
PCB中的熱傳導(dǎo)
如果不討論熱傳導(dǎo)對(duì)模擬性能的影響，本文的內(nèi)容就不夠完整。這方面的主題不僅限于將元器件和PCB保持在合理溫度范圍內(nèi)。
顯而易見，每個(gè)設(shè)計(jì)都需要有效的散熱途徑。即使是功耗最低的設(shè)計(jì)，若無法排出熱能，也會(huì)因熱量積聚而失效。幸運(yùn)的是，為抑制干擾而布設(shè)的低阻抗電源和地平面含有大量導(dǎo)熱銅箔。這些銅箔可將熱能均勻分散至整個(gè)PCB以便輻射散熱。以此方式利用銅箔還能減小PCB上的溫度梯度，從而緩解精密模擬電路中更嚴(yán)重的問題：熱電效應(yīng)產(chǎn)生的偏置電壓。注意，在模擬電路中，尤其針對(duì)敏感硅器件和精密電阻，可能需專門鋪設(shè)銅平面以直接從信號(hào)線導(dǎo)出熱能。此舉必須在不損害信號(hào)/回流傳輸線保真度的前提下進(jìn)行。同時(shí)，還應(yīng)考慮工作環(huán)境或產(chǎn)品用途對(duì)溫度的影響；根據(jù)具體應(yīng)用場景，可能需考慮極寬的溫度范圍（涉及產(chǎn)品工作溫度規(guī)格）。
溫度梯度是下一個(gè)關(guān)注重點(diǎn)，因?yàn)闇囟忍荻瓤赡芡ㄟ^熱電效應(yīng)直接產(chǎn)生電壓，從而影響精密模擬電路精度。任何異種金屬結(jié)都可能因塞貝克效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)（本質(zhì)上是熱電偶）產(chǎn)生熱電壓。當(dāng)導(dǎo)體兩端溫度不同時(shí)，塞貝克效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)會(huì)在導(dǎo)體長度方向上產(chǎn)生電壓。由于不同金屬導(dǎo)熱速率不同，各類導(dǎo)體產(chǎn)生的電壓也各異。PCB上極易發(fā)生此現(xiàn)象，因?yàn)樵骷?nèi)部導(dǎo)體、焊料、連接器引腳及PCB走線均由不同金屬制成。若電路對(duì)微伏級(jí)信號(hào)敏感，便會(huì)出現(xiàn)此類誤差。消除方法是減少點(diǎn)熱源，或設(shè)計(jì)熱傳導(dǎo)路徑使其不影響敏感模擬信號(hào)通路?？赏ㄟ^開槽和鋪設(shè)銅平面來引導(dǎo)和定向熱能。銅平面將熱能安全導(dǎo)離敏感區(qū)域，而槽位則阻斷熱能傳遞。
結(jié)語
著手進(jìn)行大型復(fù)雜PCB的布局設(shè)計(jì)時(shí)，往往會(huì)讓人感到無從下手。將這項(xiàng)工作拆解為若干易于執(zhí)行的步驟會(huì)很有幫助：先在原理圖階段按照便于布局的原則對(duì)電路模塊分組，之后將分組方式與相關(guān)的注釋沿用至元器件布局和布線環(huán)節(jié)。本系列五個(gè)部分形成了一套系統(tǒng)化、以場為核心的PCB設(shè)計(jì)方法論。第1和第2部分介紹了物理原理：抑制EMI的本質(zhì)是控制和約束電場與磁場，而減少電磁輻射干擾的措施同樣能提高抗擾度并降低干擾。隨后，第3部分介紹了從原理圖到布局及接地架構(gòu)的流程，第4部分涵蓋了電源布線和疊層選擇，本文則討論了精密模擬、屏蔽及熱管理等特殊考量，為應(yīng)對(duì)要求嚴(yán)苛的PCB設(shè)計(jì)提供了完整檢查清單。按順序逐步執(zhí)行上述步驟，可確保布局和疊層設(shè)計(jì)合理可靠，實(shí)現(xiàn)電路板一次設(shè)計(jì)成功，并且有把握順利通過EMI合規(guī)性測試。
參考文獻(xiàn)
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Howard W. Johnson和Martin Graham，High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic，PTR Prentice Hall，1993年4月。
Ralph Morrison。Fast Circuit Boards: Energy Management，John Wiley & Sons Publications，2018年1月。
作者簡介
James Niemann于2020年3月加入ADI公司，目前擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師，在美國俄亥俄州克里夫蘭工作。James擁有超過35年的豐富工作經(jīng)驗(yàn)，曾從事測試與測量設(shè)備設(shè)計(jì)工作，目前擔(dān)任ADI現(xiàn)場應(yīng)用工程師。他持有15項(xiàng)專利。
