设计PCB为EMI，第4部分：更多关于分区

文章：Kenneth Wyatt

第3部分在PC板设计上的低EMI中讨论了分区，为什么将“嘈杂”信号字段从交叉耦合到电路板内的“安静”信号字段，为什么重要。在本文中，我将在分区提供更多细节。虽然分区的概念很简单，但实际董事会通常需要更多的想法。

当涉及混合信号设计时，分区尤其重要，例如模拟和数字或无线和数字和数字的组合。万博投注网址我的许多客户都将无线（蜂窝，Wi-Fi，蓝牙和GPS）以及数字处理以及有时是模拟（例如，音频放大器或视频）。对于小型移动或物联网设备，充分分区电路功能的重要性变得强制，以消除从干扰敏感接收器的数字切换电流。

这对于使用U.S. LTE频段的蜂窝无线产品，这是700 MHz范围内的蜂窝无线产品的大问题，并一直到GPS。来自数字处理器，存储器和开关模式电源（SMPS）电路的EMI可以产生超越商业GPS频率（1,575.42 MHz）的谐波能量。今天的SMPS ICS特别讨厌，因此由于它们的快速边速度小于1 ns，并且高开关频率（通常为1 MHz至3 MHz，通常）。

高级分区
在第3部分中，我提供了分区概念的概念图（图1）。通过保持所有电路功能分开，我们避免污染安静信号的噪声信号。简单的概念，但经常难以实现真正的董事会！

图1该分区的这种概念图显示了单独的电路功能。

这个概念图的问题是，对于实际电路板设计，我们需要考虑许多其他问题。万博投注网址例如，时钟的路由。我们可能不想在我们的董事会中运行以太网和USB时钟。因此，一个重要方面是定位最接近其关联连接器的这些功能，如图2。

图2这是一种更实际的电路功能划分。

此外，将SMPS电路更接近他们的电力可能会更有意义。但是，它至关重要，以确保所有SMPS电路都在同一层上运行，并且必须有相邻的返回平面。我仍然避免将SMPS电路定位到靠近无线模块或电路 - 尤其是天线。

在图1和2中，通过蓝线表示配电。实际上，实际电路板上的功率分布可能是电力平面（3.3V是典型的）和电力多边形或用于另一个所需电源轨道的路由更宽迹线的组合。该功率分布还应具有相邻的返回平面，该返回平面由于“接地反弹”切换电流而捕获瞬态场。

使用肌肤深度
另一种分区方法是使用相同返回平面的相对侧，以与RF或模拟电路分离数字。我们可以这样做，因为这些高频的皮肤效果导致数字和射频电流沿着返回平面的表面行进，并且该层足够薄，以至于返回电流不共同混在一起。这就像在这些高频上靠近两个单独的平面，但不触摸。我们可以用等式1计算肤深。

例如，在10 MHz，铜中的皮肤深度为0.8密耳，在100 MHz，0.26密耳（注1）。大多数信号电流将在第一个肤色深度中。一盎司铜平面为1.4密耳，因此您可以看到在飞机的每一侧流动的返回信号电流不太可能在中间合并在一起;从而创建铜导电平面的理论“双层”（图3.）。

图3.高频的皮肤效果可以理论上可以将单个平面分成两个单独的，但靠近平面。从一个返回电流不会污染另一个返回电流。

这是一个使用这个概念的一个堆叠想法，我已经看到它由移动设备制造商成功使用（图4.）。如果我们使用所有RF /无线组件和底部填充电路板的顶端，并且具有数字，电源转换和控制（仔细地将返回路径添加到从上到下转换的所有信号），但是字段energy from the one plane top won’t contaminate current in the other.

图4.通过将底侧的噪声电路从顶侧污染敏感电路分离噪声来分隔PCB。

请注意，我们将主电源分布（通常为3.3 v）保持在堆叠的中心。非常复杂的电路可能需要额外的层，具体取决于电路功能的数量。最近的一个例子是具有蜂窝，Wi-Fi，蓝牙，数字视频和音频的移动视频平台，它使用了一个10层堆叠，以便分离功能块。当然，有很多方法可以实现这一目标。使用图4作为一个例子。

分裂平面
我经常要求我对分离模拟和数字平面的看法，作为从敏感模拟信号隔离数字噪声电流的方法。许多A / D和D / A制造商建议在其应用笔记中甚至提供PC板布局方向（图5.）。

图5.通常建议用于A / D或D /电路的分裂平面概念。

这仍然是一个正在进行的辩论，我的看法是有一定的条件是保证这种技术。对于大多数设计，如万博投注网址果正确使用分区，即使对于A / D和D / A应用，它将固有地提供噪声和敏感电路功能之间的隔离。对于后一种情况，将模拟痕迹远离数字痕迹非常重要。显然，我们不想在差距中运行任何类型的痕迹。

分离平面时的实际问题是，两者之间总是将始终存在一些高频电压差，并且如果带有连接I / O电缆的平面接近半波长的大部分，它可以被建模为偶极天线和导致辐射排放和各种免疫问题（图6.）。

图6.两个单独的平面可以诱导它们之间的电压电位，然后像偶极天线一样辐射。

少数例外情况（并且还有一些其他人，例如远程传感器）是需要隔离线路医疗设备的患者隔离。图7.示出了典型的接地图，其中参考模拟探针处理以模拟返回，数字处理电路参考数字返回，并且电源被引用到地球上。数字和电源返回理想情况下将在电源连接器上连接在一起。该隔离装置可以是专用隔离耦合器IC，光学耦合器或其他几个类似装置。

图7.这是患者连接监视器的典型接地配置。

在实践中，为复杂电路设计真正的PC板不是为了胆小的心。电路分区，堆叠决策和功率和高频信号路由之间总会有权衡。但是，如果遵循基本的设计规则;那是：

• 保持相邻的返回平面，用于两个信号和配电层
• 通过层过渡时，确保返回路径存在
• 分区不同的电路功能，尽可能多

然后，您将获得远离安静的信号以及辐射排放，辐射免疫，ESD和EFT合规性的风险的可能性更大。

我希望这一四部分设计系列低EMI一直很有帮助。不是太多的教师教这个概念，但大部分的设计文学和“拇指规则”都是错误的。

请记住，高频数字信号在介电空间内行进，而不是通过铜。一旦你意识到这一点，你可以避免与低电平模拟或射频信号共享相同的介电空间的嘈杂数字信号问题，并且会有更大的机会“第一次执行它”！

我想认识到几年前的物理学家Ralph Morrison的帮助和学习，该公司在设计电路板时必须考虑领域;Rick Hartley，他在低EMI和最佳信号完整性的PC板设计上教授一个优秀的2天研讨会;恩智浦半导体的高级应用工程师Daniel Beeker，帮助将此概念击中我的脑袋。

-Kenneth Wyatt.是Wyatt技术服务的总裁兼首席顾问。