【導(dǎo)讀】對于任何需要高速時鐘的產(chǎn)品設(shè)計，電磁兼容性(EMC)合規(guī)問題可能是一大困擾。本文從電磁(EM)場定向的角度概述了印刷電路板(PCB)設(shè)計，旨在幫助讀者一次性通過電磁干擾(EMI)合規(guī)性測試。用于降低EMI的技術(shù)也將減輕干擾，這體現(xiàn)了通用的PCB布局理念。本文分為三個部分。文章將首先介紹基本物理知識，幫助讀者了解為什么本文所述的技術(shù)能夠減輕PCB布局上的EMI。第2部分將舉例說明如何將第1部分的材料應(yīng)用于實際電路板布局。最后，第3部分將討論滿足所提議解決方案的復(fù)雜電路板的PCB布局策略。
簡介
在設(shè)計過程中，為什么合規(guī)性往往是最后才考慮的因素？這通常是因為在開展任何實際測試之前，需先確保整個系統(tǒng)可用。如果在設(shè)計后期才發(fā)現(xiàn)問題，那么可能需要調(diào)整印刷電路板(PCB)，當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計周期的后期涉及到多人操作時，這項工作的成本總是很高。這種情況常令人可惜。但實際上，只需遵循本文中描述的最佳實踐，就必然可以符合電磁兼容性(EMC)（輻射、傳導(dǎo)或敏感性）要求。本文所述方法有助于將電磁干擾(EMI)合規(guī)性貫穿整個PCB的架構(gòu)、設(shè)計和布局過程。本文的目的不僅僅是演示如何設(shè)計電路板以使其通過EMC測試，更是希望讀者能理解相關(guān)基本原則及工作原理，以便讀者可以在其他地方運(yùn)用這些原則。
EMI、干擾和敏感性背后的基本原理非常簡單。減少EMI的關(guān)鍵就在于控制和約束電場與磁場。簡單來說，如果電磁(EM)場暴露在自由空間中并可以進(jìn)一步擴(kuò)展，干擾和EMI就會隨之產(chǎn)生。如何實現(xiàn)這種場約束？只需在電路板上（以及任何連接的電纜中）各處設(shè)計實現(xiàn)零凈加速電荷即可。這意味著對于每個正在加速的電荷，其附近都有另一個電荷可以沿與原始電荷相反的方向加速。當(dāng)這些事件在遠(yuǎn)場一起發(fā)生時，每個電荷的效應(yīng)將能夠抵消。沒有了場能，就不會產(chǎn)生EMI或干擾。也就是說所有電磁場能量將會被約束在元件內(nèi)部，或者約束在信號走線與接地層之間的PCB電介質(zhì)中。上述理念適用于電路板上的走線，但事實上，孤立系統(tǒng)中帶有無約束場且長度較長的天線是更大的問題。我們將在日后的文章中討論這一主題。
電荷上靜態(tài)和動態(tài)力的物理知識
電荷只有暴露在電場中時才會移動。空間中給定位置的電場可以是靜態(tài)的（例如靜止電荷產(chǎn)生的場）。某一位置的電場也會隨時間而變化（例如運(yùn)動電荷產(chǎn)生的場）。當(dāng)電荷開始運(yùn)動時，磁場便隨之產(chǎn)生。與電場類似，磁場既可以是靜態(tài)的，也可以隨時間變化。根據(jù)洛倫茲力公式F = q (E + vxB)，我們可以得知，磁場中的運(yùn)動電荷會受到一個力，這個力的方向要么朝向產(chǎn)生磁場的運(yùn)動電荷，要么遠(yuǎn)離它們。由于只有電場才能對電荷施加力，因此磁場實際上是由相對論效應(yīng)產(chǎn)生的電場。這是運(yùn)動電荷原始庫侖場的一種表現(xiàn)形式。電場和磁場本質(zhì)上是同一種物理現(xiàn)象，只是在不同的參考系下呈現(xiàn)出不同的形態(tài)。
當(dāng)這些場隨時間而變化時，可能會產(chǎn)生輻射或EMI。電荷可以是靜態(tài)的，可以在空間中移動，或者被加速。只有當(dāng)電荷被加速時，才會產(chǎn)生輻射。這本質(zhì)上是簡單的事實：磁場本質(zhì)上是電場，而加速電荷將導(dǎo)致該相對論場釋放其能量。加速電荷同時滿足安培定律和法拉第定律的條件，從而在空間中形成了傳播的電磁場。通過仔細(xì)研究下方所示的麥克斯韋方程組，我們可以從數(shù)學(xué)上解釋這一現(xiàn)象。其中，安培和法拉第提出的第三和第四個方程是理解輻射和EMI的關(guān)鍵。
電場的高斯定律：
磁場的高斯定律：
安培-麥克斯韋定律：
法拉第定律：
這些方程表明，除了使用電荷，還有其他方法可以產(chǎn)生電場和磁場。變化場或動態(tài)場也可以創(chuàng)建場，進(jìn)而會在自由空間或PCB上傳播電磁場能量。坡印廷能量矢量描述了該能量的運(yùn)動。
坡印廷矢量：
有電壓和電流的地方始終存在場。電磁場是信息和能量的載體。消除電磁場既不可行，也不可取。我們的目標(biāo)是控制場的位置，以使電磁場不能對受擾電荷施加力（即避免干擾），也不會向自由空間輻射（即避免EMI）。
好消息是，如果PCB設(shè)計合理，就可以自動約束這些場。
無論是運(yùn)動電荷還是靜止電荷，任何電荷分布都會自行排列，從而盡可能減少因電荷分布而存儲或耗散的能量。
這一規(guī)律不僅適用于靜電能，也適用于磁能。參與分布的電荷首先會自行排列，以盡可能減少存儲的能量。隨著時間推移，該排列將恢復(fù)成耗散盡可能少的能量。這種行為實際上是電荷之間相互作用力的結(jié)果。
那么，應(yīng)如何設(shè)計電路板以盡可能減少其存儲的能量？這可以通過在信號和電源路徑附近設(shè)置接地層來實現(xiàn)。接地層的靠近使得銅幾何結(jié)構(gòu)能夠存儲最少的電能和磁能。這是因為電場將從接地層獲取電荷，從而幾乎抵消從外部觀察到的凈電場，正如從該偶極外部所見。同樣，當(dāng)電荷加速時，法拉第定律會在接地層中感應(yīng)出電流，從而抵消外部磁場。在設(shè)計電路板時，應(yīng)確保這種自然現(xiàn)象能夠順利發(fā)生。需要注意的是，這兩種效應(yīng)幾乎是即時發(fā)生的，唯一的延遲是信號從電荷到接地層的傳播速度（即光速C）。
上文還描述了傳輸線路的屬性。大多數(shù)工程師對傳輸線路了如指掌，并且每天都會為高速電路使用傳輸線路。為了避免干擾和EMI，必須將這些傳輸線路技術(shù)融入所有PCB應(yīng)用。微帶線傳輸線路可能是PCB設(shè)計中較常用的結(jié)構(gòu)，基本上只是接地層上方的一條走線。理論上，這會將電場和磁場約束在走線和接地層之間的空間內(nèi)。如圖1所示，在體積A中，麥克斯韋方程組表明，封閉的總電荷等于穿過該體積表面的電通量的積分。由于零電荷被包圍，且內(nèi)部相等和相反電荷的分離發(fā)生在同一個地方，表面外的凈電場將趨近于零。傳輸線路，表面B，將包圍零加速電荷。麥克斯韋方程組表明，如果穿過表面B的凈電流為零，那么圍繞該表面的磁場的線積分也將趨近于零。根據(jù)法拉第定律，圍繞表面C的線積分同樣會趨近于零。
需要注意的是，傳輸線與接地層之間的空間不能為零（否則會導(dǎo)致外部場為零）。在RF和高速數(shù)字應(yīng)用中，通常使用50 Ω的傳輸線以最大化信號帶寬。而對于電源電路，則使用阻抗低得多的設(shè)計，通常僅為幾歐姆。
值得注意的是，所有這些物理知識可歸納為三個良好實踐，在布局過程中應(yīng)遵循這些實踐。下一部分將逐一介紹各個實踐。
圖1.傳輸線路周圍的電場和磁場示意圖。
良好實踐
#1追求零凈加速電荷。
該實踐鼓勵設(shè)計人員關(guān)注PCB設(shè)計中的電流路徑。根據(jù)法拉第定律，考慮電路板布局是否允許自然提供抵消電流。請記住，任何電流的存在都意味著它在某一時刻經(jīng)歷了變化，才能達(dá)到當(dāng)前的值。
#2設(shè)計布局時，將電場和電磁場約束在特定的較小區(qū)域內(nèi)。
這是第一個實踐的應(yīng)用結(jié)果。如果布局設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)零凈加速電荷，那么電場也會被有效地限制在特定區(qū)域內(nèi)。在布局過程中，設(shè)計者需要特別關(guān)注這一點(diǎn)，因為無論是電場還是磁場，都是能量傳輸?shù)谋匾獥l件。
#3關(guān)注電磁場，而非僅僅關(guān)注電壓和電流。
能量和信息是通過電磁場實現(xiàn)的，而不是通過PCB上的銅線。如果微帶線有瑕疵，那么完全消除外部電磁場是不可能的。傳輸線路阻抗越大，場受到的約束就越少。幸運(yùn)的是，阻抗較高的線路（最大帶寬時阻抗為50 Ω）通常以較低的電流工作，其初始值限制為電壓除以50 Ω特性阻抗。電源層的阻抗較低（這是理想狀態(tài)），但以較高的電流運(yùn)行（這不太好），并且需要處于欠阻尼狀態(tài)（即具有最小的實際電阻），否則損耗會太大。這些高Q電路會產(chǎn)生顯著輻射，這一問題將在后續(xù)文章中詳細(xì)討論。從EMI的角度來看，自然現(xiàn)象實際上是在幫助設(shè)計者，而不是制造障礙——電荷總是會以消耗最少能量（無論是存儲還是耗散）的方式排列。
由于磁耦合或靜電耦合（互感和互容），PCB布局會引起EMI和干擾。這種耦合現(xiàn)象的產(chǎn)生，主要是因為PCB上用于傳輸能量和信息的結(jié)構(gòu)并不完美，無法像同軸電纜那樣完全約束電磁場。波導(dǎo)（走線和接地層）之間的空間（電介質(zhì)）將導(dǎo)致干擾和EMI，除非該幾何結(jié)構(gòu)能夠完全約束場。
下一篇文章將深入討論實際電路板布局，介紹由于不完善的布局技術(shù)而導(dǎo)致的輻射源，并提供改進(jìn)方法。我們將分析以下PCB布局中常見的情況。
在PCB上，發(fā)生以下情況時，通常會失去場約束：
信號在層間轉(zhuǎn)換
信號在公共接地層上方共用相同的空間
信號在共用接地層上方相互交叉
信號并行運(yùn)行
出現(xiàn)場邊緣
信號沿微帶線或其他有缺陷的傳輸線路傳播
結(jié)論
本文介紹了為低輻射和EMI合規(guī)性測試設(shè)計電路板布局所需的基本物理知識和思維過程。通過分析，我們了解到只有電場可以作用于電荷，運(yùn)動電荷產(chǎn)生的磁場實際上是一種相對論電場。電荷加速時，麥克斯韋方程組和坡印廷矢量揭示了場如何在自由空間中傳播。所有PCB銅幾何結(jié)構(gòu)均可視為傳輸線路，能夠利用場對電荷的影響，將其約束在PCB的特定區(qū)域內(nèi)。本文第2部分在此基礎(chǔ)之上，介紹了如何布局PCB以盡可能減少無約束場。這些無約束場正是干擾和EMI的主要來源。無約束場可能有兩個來源：電路本身或外界（敏感性）。下一篇文章將分別討論這兩個來源。
只需遵循以下三個良好實踐，即可兼顧關(guān)鍵點(diǎn)和所有物理效應(yīng)。
良好實踐#1：追求零凈加速電荷。
良好實踐#2：設(shè)計布局時，將電場和電磁場約束在特定的較小區(qū)域內(nèi)。
良好實踐#3：關(guān)注電磁場，而非僅僅關(guān)注電壓和電流。
無論是運(yùn)動電荷還是靜止電荷，任何電荷分布都會自行排列，從而盡可能減少因電荷分布而存儲或耗散的能量。
參考文獻(xiàn)
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Johnson, Howard W.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35年的豐富工作經(jīng)驗，曾從事測試與測量設(shè)備設(shè)計工作，目前擔(dān)任ADI現(xiàn)場應(yīng)用工程師。他持有14項專利。
