用于EMI的PCB信號(hào)如何移動(dòng)

在幫助客戶使其產(chǎn)品符合EMI標(biāo)準(zhǔn)之后，我發(fā)現(xiàn)了一個(gè)潛在問(wèn)題：PC板設(shè)計(jì)不佳。根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員遇到了由于PC板設(shè)計(jì)不佳而導(dǎo)致的問(wèn)題。當(dāng)板載能源破壞敏感的接收器電路時(shí)，糟糕的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致無(wú)限延遲，從而導(dǎo)致蜂窩合規(guī)性故障。 GPS和Wi-Fi接收器也會(huì)失去靈敏度。

在這部分1中，您將看到信號(hào)如何通過(guò)PCB走線以及電磁場(chǎng)如何移動(dòng)影響那個(gè)運(yùn)動(dòng)。在第2部分中，我將對(duì)比良好和差的PCB疊加之間的差異。第3部分介紹信號(hào)路由和電路板分區(qū)。

有許多因素導(dǎo)致EMI設(shè)計(jì)不佳。其中包括：

使用數(shù)字和敏感模擬電路混合噪聲電路，例如電源和電機(jī)轉(zhuǎn)換。

將時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器放置得太靠近電路板邊緣或靠近敏感電路。

導(dǎo)致串?dāng)_的走線路由不良。

在返回平面的間隙/插槽上運(yùn)行時(shí)鐘（或高速）走線。

最重要的是，錯(cuò)誤的層堆疊。

我已經(jīng)解決了返回平面間隙上的交叉時(shí)鐘走線（參考文獻(xiàn)1,2）。然而，修復(fù)關(guān)于圖層疊加的最后一項(xiàng)通常會(huì)糾正無(wú)數(shù)的弊端，包括列表中的許多其他項(xiàng)目。

在參加大學(xué)電路課程時(shí)，我們大多數(shù)人都被錯(cuò)誤地教授了直流和交流電流如何在集總或分布式（傳輸線）電路中工作。在我們的“田野和波浪”課程中，我們不太可能在電路板設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用或通過(guò)電路板傳播信號(hào)方面受到指導(dǎo)。事實(shí)上，這兩個(gè)概念 - 電路和場(chǎng) - 在通過(guò)微帶線或帶狀線傳播數(shù)字信號(hào)時(shí)協(xié)同工作（互補(bǔ)）。

在你之前你可以理解信號(hào)如何在PC板中傳播，你必須先了解一些物理學(xué)。

我們都被教導(dǎo)說(shuō)“當(dāng)前”是電子的流動(dòng)銅。這接近事實(shí)，除了我們傾向于考慮正電流 - 缺少電子，通常被稱(chēng)為“洞”。然而，電子和它們留下的“空穴”（正電荷）傳播速度非常慢（參考文獻(xiàn)3）。請(qǐng)參閱即將發(fā)布的說(shuō)明。

當(dāng)然，此電流對(duì)于直流電路是正確的（初始電池連接瞬態(tài)除外）。但對(duì)于交流（或射頻）電路或開(kāi)關(guān)模式電源的“直流”輸出（帶瞬態(tài)），我們需要了解所有連接線/走線現(xiàn)在必須考慮傳輸線。
結(jié)果首先，讓我們考慮電容似乎如何允許電子流動(dòng)。畢竟，這不是解耦電容器的工作原理嗎？參考圖1，如果我們將電池應(yīng)用于電容器，則施加到頂板的任何正電荷將排斥底板上的正電荷，留下負(fù)電荷。如果我們將交流電源應(yīng)用于電容器，您可能會(huì)認(rèn)為電流流過(guò)電介質(zhì)，這是不可能的。 James Clerk Maxwell稱(chēng)之為“位移電流”，其中正電荷僅取代相反極板上的正電荷而留下負(fù)電荷，反之亦然。此位移電流定義為 dE / dt （隨時(shí)間變化電場(chǎng)）。

圖1.通過(guò)電容器的位移電流的概念。

您還應(yīng)該意識(shí)到，正如我們所教導(dǎo)的那樣，電子和帶正電的空穴不會(huì)在光線中以接近光速的速度傳播，而是在大約移動(dòng)1厘米/秒，由于銅分子的原子鍵非常緊密（參考文獻(xiàn)4）?？隙ㄓ凶杂呻娮雍涂昭ㄔ疲@些從分子到分子緩慢移動(dòng)。這被稱(chēng)為傳導(dǎo)電流，是我們用電流表測(cè)量的。傳導(dǎo)電流與B場(chǎng)的切向分量有關(guān)，即 curl B = J 。

銅分子中的一個(gè)電子對(duì)其相鄰（并且在傳輸線上）的影響以介電材料中的EM場(chǎng)的速度傳播。換句話說(shuō)，在微帶的一端搖晃一個(gè)電子，然后搖晃下一個(gè)，下一個(gè)搖晃，依此類(lèi)推，直到它最后搖晃最后一個(gè)。這種搖晃在電子領(lǐng)域被稱(chēng)為扭結(jié)，可以被設(shè)想為牛頓的搖籃玩具，一種機(jī)械類(lèi)比，第一個(gè)球擊中下一個(gè)球，最終彈出終點(diǎn)球（圖2）。

圖2. Newton's Cradle，一個(gè)類(lèi)比，用于演示電子場(chǎng)中從一個(gè)電子到另一個(gè)電子的“扭結(jié)”。

我們現(xiàn)在考慮一個(gè)波前以大約半光速移動(dòng)的數(shù)字信號(hào)（FR4電介質(zhì)中典型的6 in./ns左右） ）沿著相鄰地面返回平面（GRP）上的簡(jiǎn)單微帶線，如圖3所示。

圖3.數(shù)字信號(hào)（電磁波）穿過(guò)微帶和地參考平面（GRP）之間的介電空間。結(jié)果

下一個(gè)實(shí)現(xiàn)（掌握的事情）是數(shù)字信號(hào)的EM場(chǎng)在介電空間中傳播 - 而不是銅。銅只是“引導(dǎo)”電磁波（參考文獻(xiàn)5和6）。

當(dāng)微帶線之間首次施加信號(hào)（EM波）時(shí)并且GRP開(kāi)始沿著由微帶形成的傳輸線在相鄰的GRP上傳播。傳導(dǎo)電流和位移電流相結(jié)合（在電介質(zhì)上）。

所有激動(dòng)人心的“EMI材料”都發(fā)生在波前作為電磁波傳播。此時(shí)，初始波陣面后面的電場(chǎng)在此時(shí)施加的電壓和初始波前的電場(chǎng)為零時(shí)是穩(wěn)定的。信號(hào)的快速上升或下降時(shí)間包含所有諧波能量，這就是產(chǎn)生EMI的原因。

如果負(fù)載阻抗等于傳輸線的特征阻抗，則不會(huì)有EM波反射回源。但是，如果存在不匹配，則會(huì)有反射的EM場(chǎng)傳播回源。實(shí)際上，大多數(shù)逼真的數(shù)字信號(hào)將具有同時(shí)在傳輸線中來(lái)回移動(dòng)的多個(gè)反射。這些傳播波的過(guò)渡區(qū)（上升時(shí)間或下降時(shí)間）可能會(huì)產(chǎn)生EMI。

現(xiàn)在您可以看到信號(hào)如何在電路板中移動(dòng)，在PC板設(shè)計(jì)方面有兩個(gè)非常重要的原則：

PC板上的每個(gè)信號(hào)和電源走線（或平面）都應(yīng)視為傳輸線。

數(shù)字信號(hào)傳播傳輸線中的電磁場(chǎng)實(shí)際上是銅跡線和GRP之間空間的運(yùn)動(dòng)。

要構(gòu)建傳輸線，需要兩個(gè)相鄰的部分捕獲或包含場(chǎng)地的金屬。例如，相鄰GRP上的微帶或與GRP相鄰的帶狀線或與GRP相鄰的功率跡線（或平面）。例如，在電源和接地參考平面之間定位多個(gè)信號(hào)層將導(dǎo)致快速信號(hào)的真正EMI問(wèn)題。觀察這兩個(gè)規(guī)則將決定層疊。

換句話說(shuō)，每個(gè)信號(hào)或功率軌跡（布線功率）必須具有相鄰的GRP并且所有電力平面都應(yīng)具有相鄰的GRP。多個(gè)GRP應(yīng)使用拼接過(guò)孔矩陣連接在一起。

如果您通過(guò)間隙或槽打破GRP中傳導(dǎo)電流的路徑，我們開(kāi)始在整個(gè)電介質(zhì)空間中“泄漏”EM場(chǎng)，這導(dǎo)致來(lái)自電路板的邊緣輻射以及通過(guò)通孔耦合到其他電路的交叉耦合。如果沒(méi)有相鄰的縫合通孔或縫合電容器（將GRP連接到電源層），我們也會(huì)通過(guò)多個(gè)接地參考或電源平面?zhèn)鬟f信號(hào)。

這些主題和特定的PC板設(shè)計(jì)將在我的下一篇文章“為EMI設(shè)計(jì)PCB，第2部分：基本疊加”中進(jìn)行描述。

致謝：我要感謝Eric Bogatin幫助