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为EMI设计PCB，第1部分：信号如何移动

文章作者:肯尼斯·怀亚特

本两个部分的第1部分解释了电信号和磁场之间的关系以及信号如何通过PCB迹线移动。

在帮助客户使他们的产品符合EMI的要求之后，我发现了一个潜在的问题:糟糕的PC板设计。在我的经验中，物联网产品设计师会遇到由糟糕的PC板设计引起的问题。当车载能量源干扰敏感的接收电路时，糟糕的设计会导致无尽的延迟，从而导致蜂窝通信的遵从性失败。GPS和Wi-Fi接收器也会失去灵敏度。

在第1部分中，您将看到信号如何通过PCB轨迹移动，以及电磁场如何影响这种移动。在第2部分中，我将对比好和差的PCB堆栈之间的区别。

造成不良EMI设计的因素有很多。万博投注网址这些包括:

混合噪声电路，例如具有数字和敏感模拟电路的电源和电机转换。
定位时钟驱动器过于接近板边缘或接近敏感电路。
可怜的跟踪路线导致交叉谈话。
运行时钟（或高速）横跨返回平面中的间隙/插槽。
最重要的是，错误的图层堆叠。

我已经在返回平面中已经解决了交叉时钟痕迹超过差距（参考文献1,2）。然而，修复了关于图层堆叠的最后一项通常会纠正一个无数的弊病，包括列表中的许多其他项目。

在大学的电路课上，我们大多数人都被错误地教授了直流和交流电在集中或分散(传输线)电路中是如何工作的。在我们的“场与波”课程中，我们不太可能被指导电路板设计的实际应用或信号通过电路板传播。事实上，这两个概念——电路和场——在通过微带或带状线传播数字信号时一起工作(互补)。

在您了解信号如何在PC板中传播之前，您必须先了解一些物理。

我们都教导了“电流”是铜中电子的流动。这与真相接近，除非我们倾向于考虑正电流 - 缺乏电子，通常被称为“孔”。电子和“孔”（正电荷）它们留下，然而，行程非常缓慢（参考文献3）。看到不久的解释。

当然，对于直流电路，这种电流流动是正确的(除了电池初始连接瞬态)。但对于交流(或射频)电路或开关电源的“直流”输出(瞬态)，我们需要了解所有连接线/痕迹现在必须被视为传输线。

首先，让我们考虑电容器似乎是如何允许电子的流动。毕竟，不是如何解耦电容器的工作？参考图1如果我们将电池施加到电容器上，施加到顶板的任何正电荷都会在底板上击退正电荷，留下负电荷。如果我们将AC源应用于电容器，则可能假设电流流过电介质，这是不可能的。詹姆斯·克劳克麦克斯韦尔打电话给这个“流离失所“那里，”那里，正电荷仅在留下负荷的相对板上取出正电荷，反之亦然。该位移电流定义为德/DT.(e场随时间变化)。

图1.通过电容器的位移电流的概念。

你也应该意识到附近的电子和带正电荷的空穴不旅行光速铜作为我们被教导,但移动1厘米/秒,由于非常紧密的原子键的铜分子(Ref。4)。当然有自由电子和空穴的云,但这些缓慢从分子分子。这叫做传导电流，是我们用安培计测量的电流。传导电流与b场的切向分量有关，即卷曲B.=J。

铜分子中的一个电子对相邻电子(并沿传输线向下)的影响以介电材料中电磁场的速度传播。换句话说，摇动微带一端的一个电子，它就摇动下一个电子，下一个电子就摇动下一个，如此往复，直到最后一个电子摇动。这种振动被称为e场中的扭结，可以被想象成牛顿的摇篮玩具，一个机械类比，当第一个球击中下一个球，这最终会脱离末端球(图2）。

图2.牛顿的摇篮，一个类比，以证明在电子场中的“扭结”，因为它从一个电子到下一个电子行进。

现在，我们现在考虑具有波前的数字信号，该波前沿沿着相邻接地返回平面（GRP）上的简单微带沿大约半光速度（在FR4电介质中的典型6中的典型6./ns）。如图所示图3。

图3.数字信号（电磁波）通过微带和地参考平面（GRP）之间的介电空间行进。

下次实现（用于掌握的东西）是数字信号的EM场在介电空间中行进 - 而不是铜。铜仅仅是“引导”EM波（参考文献5和6）。

当首先在微带和GRP之间施加信号（EM波）时，它开始沿着由相邻GRP上的微带形成的传输线传播。传导电流和位移电流（穿过电介质）的组合。

当EM波传播时，所有令人兴奋的“EMI填充”就会发生在波前面。在瞬间的时间内，初始波前面的电场在施加电压在瞬间稳定时稳定，并且初始波前面的电场为零。信号的快速上升或下降时间包含所有谐波能量，这是创造EMI的原因。

如果负载阻抗等于传输线的特性阻抗，那么就不会有电磁波反射回源。然而，如果有不匹配，就会有反射电磁场传播回源。在现实中，大多数真实的数字信号会有多个反射同时在传输线上来回移动。这些传播波的过渡区(上升时间或下降时间)将潜在地产生电磁干扰。

既然你会看到信号如何在电路板中移动，在PC板设计方面有两个非常重要的原则：

PC板上的每个信号和电源迹线（或平面）应被视为传输线。
传输线中的数字信号传播真的是铜迹线和GRP之间的空间中的电磁场的运动。

要构建传输线，您需要两个相邻的金属块捕获或包含该字段。例如，与GRP相邻的GRP或电源迹线（或平面相邻的相邻GRP或带状线上的微带。例如，在电源和地面参考平面之间定位多个信号层将导致快速信号的真实EMI问题。观察这两个规则将决定图层堆叠。

换句话说，每个信号或功率轨迹(路由功率)必须有一个相邻的GRP，所有的功率平面都应该有一个相邻的GRP。多个grp应该用缝合孔的矩阵捆绑在一起。

如果通过间隙或插槽打破了GRP中的导通电流的路径，我们开始在整个介电空间中获得“泄漏”，这导致了从电路板的边缘辐射，并通过通孔交叉耦合到其他电路- 通过耦合。当我们通过多个接地参考或电源平面通过多个接地参考或电源平面时，也会发生这种情况，如果没有相邻的缝合通孔或缝合电容器（以将GRP连接到电力平面）。

这些主题和特定的PC板设计将在我的下一篇文章中描述，“为EMI设计pc万博投注网址b，第2部分:基本堆叠。”

致谢：我要感谢Eric Bogatin.为了他的宝贵帮助，帮助我了解PC板中电磁波传播的物理，以及Ralph Morrison，Daniel Beeker，以及Rick Hartley在适用于高频数字电路的适当PC板设计中进行培训。

- - - - - -Kenneth Wyatt.是Wyatt技术服务的总裁兼首席顾问。

参考