PCB設(shè)計(jì)的EMC相關(guān)問題

每個(gè)系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)都是在尺寸、重量、功率、可靠性、性能和許多其他參數(shù)之間進(jìn)行權(quán)衡取舍。畢竟，這就是工程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，通過經(jīng)驗(yàn)和判斷所產(chǎn)生的硬數(shù)字和分析的組合來評(píng)估、平衡和執(zhí)行權(quán)衡。

在某些情況下，到目前為止，一個(gè)或幾個(gè)目標(biāo)可能具有最關(guān)鍵的權(quán)重，因此可能會(huì)在某種程度上犧牲其他目標(biāo)來滿足那些最重要的目標(biāo)。在其他情況下，權(quán)衡和選擇之間的加權(quán)和平衡是一個(gè)更具反思性和迭代性的過程：“如果將傳感器精度提高 15%，我們是否應(yīng)該放棄 5% 的運(yùn)行時(shí)間？”是一種軟判斷問題這通常很難量化，也更難回答。當(dāng)然，許多設(shè)計(jì)目標(biāo)只是：一些必須實(shí)現(xiàn)的理想目標(biāo)，而另一些則是設(shè)計(jì)努力實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，但不是絕對(duì)的“必須擁有”。

其中必須具備的是各種監(jiān)管和標(biāo)準(zhǔn)組織機(jī)構(gòu)（政府和行業(yè)）制定的許多 EMC、效率和安全要求。與有一些讓步的性能目標(biāo)不同，其中許多要求是絕對(duì)的：要么滿足它們，要么設(shè)計(jì)將不會(huì)獲得批準(zhǔn)和認(rèn)證。除了您選擇滿足其中一些的特定方法和策略之外，它們幾乎沒有“回旋余地”或權(quán)衡區(qū)域。

我在完成 In Compliance 發(fā)布的由十部分系列“評(píng)估帶有電源轉(zhuǎn)換器的 1 層和 2 層 PCB 的 EMC 輻射和接地技術(shù)”的最后一部分時(shí)想到了這個(gè)問題（最后一部分鏈接到所有九個(gè)部分）前幾部分）。該系列詳細(xì)介紹了與 EMC 可接受的設(shè)計(jì)相關(guān)的許多性能和授權(quán)相關(guān)問題，以及一些相關(guān)的接地考慮（圖 1）。

圖 1：必須同時(shí)從熱、配電和 EMC 域以及其他角度查看和評(píng)估電路板。（圖片來源：Electronic Concepts and Engineering， Inc.；Open Airbus Cockpit；ResearchGate）。

閱讀這個(gè)系列文章既令人振奮又令人沮喪。之所以是前者，是因?yàn)樗@示了三位作者在理論、實(shí)踐、測(cè)量等方面的理解和解釋程度。利用這種洞察力，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該有更好的機(jī)會(huì)設(shè)計(jì)電源、接地和 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器的布局，以滿足系統(tǒng)性能需求并通過認(rèn)證。到現(xiàn)在為止還挺好。

但這篇文章也讓我擔(dān)心：它讓我更加意識(shí)到對(duì)設(shè)計(jì)的許多期望，進(jìn)而對(duì)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的期望。有很多最佳實(shí)踐和經(jīng)常相互矛盾的指導(dǎo)原則需要遵守，而且在做好事也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響的情況下，有很多權(quán)衡取舍。其中一些命令是由物理定律和麥克斯韋方程定義的，而其他命令則是由善意的監(jiān)管合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)定義的。在許多情況下，您需要一位合規(guī)專家來指導(dǎo)您完成并超越令人眼花繚亂的標(biāo)準(zhǔn)。

上面引用的文章涉及相對(duì)簡(jiǎn)單的單面和雙面 PC 板，但現(xiàn)在許多設(shè)計(jì)都在具有四層、八層和更多層的板上。在某些方面，提供額外的層可以更容易地滿足 EMC 和接地要求，因?yàn)榻拥貙雍推渌脰|西有更多的自由度；在其他方面，擁有它們會(huì)使設(shè)計(jì)復(fù)雜化，因?yàn)?a target="_blank">信號(hào)路由和電流、發(fā)射源和發(fā)射敏感拾取點(diǎn)的路徑要多得多。

當(dāng)然，這些天我們正在詢問很多電路和電路板設(shè)計(jì)。我們通常使用中等尺寸的電路板來處理數(shù)十和數(shù)百安培的電流，這必然會(huì)帶來 IR 壓降和連接電阻問題。此外，幾乎所有的電源電流都會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量，因此將所有熱量散發(fā)到那個(gè)被稱為“遠(yuǎn)離”的神奇、神秘的地方存在熱量問題。

在某些時(shí)候，我擔(dān)心我們會(huì)用完運(yùn)行空間。對(duì) PC 板設(shè)計(jì)提出的多種要求（直流電氣、信號(hào)完整性、EMC、熱、隔離、爬電距離/間隙）將產(chǎn)生零設(shè)置，或者需要對(duì)功率水平、電路密度、熱密度、EMC 性能進(jìn)行嚴(yán)重妥協(xié)，大小……這是一個(gè)很長(zhǎng)的列表。

當(dāng)然，認(rèn)為我們已經(jīng)達(dá)到了我們可以交付的極限并且我們不能走得更遠(yuǎn)，這在工程中并不是什么新鮮事。不知何故，我們找到了一種通過新材料、技術(shù)、組件和其他創(chuàng)新來克服它的方法。畢竟，這就是摩爾在每個(gè)主要節(jié)點(diǎn)上的“定律”（一個(gè)聰明而有先見之明的假設(shè)，但不是定律，抱歉）的故事。也許工程的必要性有點(diǎn)像塞繆爾貝克特在他 1953 年的小說《無名之輩》結(jié)尾所寫的那樣：“……你必須繼續(xù)。我不能繼續(xù)。我會(huì)繼續(xù)的?！?或者這可能是塞繆爾·C·弗洛曼 （Samuel C. Florman） 在他的書“工程存在的樂趣”（The Existential Pleasures of Engineering） 中所指的內(nèi)容。

盡管如此，在某些時(shí)候，還是需要激進(jìn)的新方法。目前，我沒有看到任何此類突破，也沒有看到設(shè)計(jì)師停止嘗試在這些 PC 板上安裝更多組件和更高頻率的更多功能和耗散。或許PC板路有一個(gè)三叉叉：一條路通向死胡同，我們停下；中間道路是一種緩慢、穩(wěn)定、漸進(jìn)的進(jìn)步；最后的路徑是某種革命性的方法，例如轉(zhuǎn)向低功耗且沒有 EMC 問題的全集成光學(xué)器件。

您對(duì)電路板設(shè)計(jì)情況有何看法？我們是否正在漸近地接近我們可以通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的極限？未來的道路會(huì)??不會(huì)是通過一系列小步驟而取得的穩(wěn)步進(jìn)展？或者我們還沒有看清楚的一些突破性技術(shù)是否會(huì)改變整個(gè)情況并實(shí)現(xiàn)重大進(jìn)步，就像從手工放置組件和手工布線電路到拾放和 PC 板的過渡一樣？