【導讀】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——它們并非隨機現(xiàn)象，而是未受約束場的可預測后果；第3和第4部分則將原則轉化為具體布局工作流程：從原理圖整理、元器件放置、接地架構選擇到疊層設計。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、遠距離信號傳輸中的屏蔽與防護策略，以及常被忽視卻至關重要的熱管理。
引言
電磁干擾(EMI)合規(guī)性常被視為最后的障礙而非設計目標，往往在原理圖完成、PCB布局結束甚至原型板制成后才予以考慮。本系列文章的核心觀點是：合規(guī)性不應是意外結果；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或神秘現(xiàn)象，而是未受約束場的可預測后果；同時證明抑制輻射的布局準則同樣能提高PCB對外部場的抗擾度。第3和第4部分將基本原則轉化為循序漸進的基礎布局工作流程：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、優(yōu)先布設電源系統(tǒng)、選擇能為每個信號提供場約束的層數(shù)和疊層結構。在此框架基礎上，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鏈這一“捷徑”），接地保真度是實現(xiàn)模擬精度的關鍵因素。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在低頻下產(chǎn)生地電位梯度（及噪聲）。例如，對于方阻為0.5mΩ/平方的1盎司銅平面：PCB上一個正方形區(qū)域內(nèi)的100mA回流電流會產(chǎn)生0.5mΩ × 0.1A = 50μV的壓降。對于精密測量而言，此偏置電壓相當可觀。元器件位置對此問題影響顯著。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)負電源而非地平面返回、用接地樹替代信號走線的接地平面、在地平面上開槽以引導地電流，或采用板級差分信號傳輸。
屏蔽、防護與靜電
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，使得遠距離信號傳輸變得困難。圖1展示了這一問題。
相距較遠的第二個接地系統(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。
雷電
假設兩個系統(tǒng)接地相連且相隔一定距離。再假設每個接地系統(tǒng)均與大地存在連接（直接連接或電容耦合）。最后，將大地視為構成完整回路的最終導體（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出電壓，從而在地環(huán)路中產(chǎn)生感應電壓。
設備的接地電流
所有布局不完善的設備都可能將電流耦合至機殼地。這種耦合電流的回流路徑可能導致相距較遠的接地點之間產(chǎn)生壓降。這是地環(huán)路電流的第二個成因。
共模電流
在隔離系統(tǒng)中，與上述設備電流相關，跨越隔離柵耦合的電流可能導致相距較遠的接地點之間產(chǎn)生壓降。這是地環(huán)路電流的第三個成因。
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，而是將電流引導至不影響模擬功能或測量的路徑上。
防護是與屏蔽密切相關的一個主題。防護的目的是防止交流或直流信號耦合至敏感PCB走線或特定電纜導體。具體做法是用第二根導體包圍敏感導體，由被防護網(wǎng)絡處測得的電壓的緩沖來驅(qū)動。當該導體與外部環(huán)境之間無電壓差時，便不會產(chǎn)生耦合電流。
圖1：利用儀器屏蔽和安全屏蔽在遠程接地系統(tǒng)上測量信號以避免共模干擾的方法
PCB中的熱傳導
如果不討論熱傳導對模擬性能的影響，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，每個設計都需要有效的散熱途徑。即使是功耗最低的設計，若無法排出熱能，也會因熱量積聚而失效。幸運的是，為抑制干擾而布設的低阻抗電源和地平面含有大量導熱銅箔。這些銅箔可將熱能均勻分散至整個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重的問題：熱電效應產(chǎn)生的偏置電壓。注意，在模擬電路中，尤其針對敏感硅器件和精密電阻，可能需專門鋪設銅平面以直接從信號線導出熱能。此舉必須在不損害信號/回流傳輸線保真度的前提下進行。同時，還應考慮工作環(huán)境或產(chǎn)品用途對溫度的影響；根據(jù)具體應用場景，可能需考慮極寬的溫度范圍（涉及產(chǎn)品工作溫度規(guī)格）。
溫度梯度是下一個關注重點，因為溫度梯度可能通過熱電效應直接產(chǎn)生電壓，從而影響精密模擬電路精度。任何異種金屬結都可能因塞貝克效應和湯姆遜效應（本質(zhì)上是熱電偶）產(chǎn)生熱電壓。當導體兩端溫度不同時，塞貝克效應和湯姆遜效應會在導體長度方向上產(chǎn)生電壓。由于不同金屬導熱速率不同，各類導體產(chǎn)生的電壓也各異。PCB上極易發(fā)生此現(xiàn)象，因為元器件內(nèi)部導體、焊料、連接器引腳及PCB走線均由不同金屬制成。若電路對微伏級信號敏感，便會出現(xiàn)此類誤差。消除方法是減少點熱源，或設計熱傳導路徑使其不影響敏感模擬信號通路。可通過開槽和鋪設銅平面來引導和定向熱能。銅平面將熱能安全導離敏感區(qū)域，而槽位則阻斷熱能傳遞。
結語
著手進行大型復雜PCB的布局設計時，往往會讓人感到無從下手。將這項工作拆解為若干易于執(zhí)行的步驟會很有幫助：先在原理圖階段按照便于布局的原則對電路模塊分組，之后將分組方式與相關的注釋沿用至元器件布局和布線環(huán)節(jié)。本系列五個部分形成了一套系統(tǒng)化、以場為核心的PCB設計方法論。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，為應對要求嚴苛的PCB設計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計合理可靠，實現(xiàn)電路板一次設計成功，并且有把握順利通過EMI合規(guī)性測試。
參考文獻
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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，目前擔任現(xiàn)場應用工程師，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，曾從事測試與測量設備設計工作，目前擔任ADI現(xiàn)場應用工程師。他持有15項專利。
