用于EMI的PCB信号如何移动

在帮助客户使其产品符合EMI标准之后，我发现了一个潜在问题：PC板设计不佳。根据我的经验，物联网产品设计人员遇到了由于PC板设计不佳而导致的问题。当板载能源破坏敏感的接收器电路时，糟糕的设计会导致无限延迟，从而导致蜂窝合规性故障。 GPS和Wi-Fi接收器也会失去灵敏度。

在这部分1中，您将看到信号如何通过PCB走线以及电磁场如何移动影响那个运动。在第2部分中，我将对比良好和差的PCB叠加之间的差异。第3部分介绍信号路由和电路板分区。

有许多因素导致EMI设计不佳。其中包括：

使用数字和敏感模拟电路混合噪声电路，例如电源和电机转换。

将时钟驱动器放置得太靠近电路板边缘或靠近敏感电路。

导致串扰的走线路由不良。

在返回平面的间隙/插槽上运行时钟（或高速）走线。

最重要的是，错误的层堆叠。

我已经解决了返回平面间隙上的交叉时钟走线（参考文献1,2）。然而，修复关于图层叠加的最后一项通常会纠正无数的弊端，包括列表中的许多其他项目。

在参加大学电路课程时，我们大多数人都被错误地教授了直流和交流电流如何在集总或分布式（传输线）电路中工作。在我们的“田野和波浪”课程中，我们不太可能在电路板设计的实际应用或通过电路板传播信号方面受到指导。事实上，这两个概念 - 电路和场 - 在通过微带线或带状线传播数字信号时协同工作（互补）。

在你之前你可以理解信号如何在PC板中传播，你必须先了解一些物理学。

我们都被教导说“当前”是电子的流动铜。这接近事实，除了我们倾向于考虑正电流 - 缺少电子，通常被称为“洞”。然而，电子和它们留下的“空穴”（正电荷）传播速度非常慢（参考文献3）。请参阅即将发布的说明。

当然，此电流对于直流电路是正确的（初始电池连接瞬态除外）。但对于交流（或射频）电路或开关模式电源的“直流”输出（带瞬态），我们需要了解所有连接线/走线现在必须考虑传输线。
结果首先，让我们考虑电容似乎如何允许电子流动。毕竟，这不是解耦电容器的工作原理吗？参考图1，如果我们将电池应用于电容器，则施加到顶板的任何正电荷将排斥底板上的正电荷，留下负电荷。如果我们将交流电源应用于电容器，您可能会认为电流流过电介质，这是不可能的。 James Clerk Maxwell称之为“位移电流”，其中正电荷仅取代相反极板上的正电荷而留下负电荷，反之亦然。此位移电流定义为 dE / dt （随时间变化电场）。
 

图1.通过电容器的位移电流的概念。

您还应该意识到，正如我们所教导的那样，电子和带正电的空穴不会在光线中以接近光速的速度传播，而是在大约移动1厘米/秒，由于铜分子的原子键非常紧密（参考文献4）。肯定有自由电子和空穴云，但这些从分子到分子缓慢移动。这被称为传导电流，是我们用电流表测量的。传导电流与B场的切向分量有关，即 curl B = J 。

铜分子中的一个电子对其相邻（并且在传输线上）的影响以介电材料中的EM场的速度传播。换句话说，在微带的一端摇晃一个电子，然后摇晃下一个，下一个摇晃，依此类推，直到它最后摇晃最后一个。这种摇晃在电子领域被称为扭结，可以被设想为牛顿的摇篮玩具，一种机械类比，第一个球击中下一个球，最终弹出终点球（图2）。
 

图2. Newton's Cradle，一个类比，用于演示电子场中从一个电子到另一个电子的“扭结”。

我们现在考虑一个波前以大约半光速移动的数字信号（FR4电介质中典型的6 in./ns左右） ）沿着相邻地面返回平面（GRP）上的简单微带线，如图3所示。
 

图3.数字信号（电磁波）穿过微带和地参考平面（GRP）之间的介电空间。结果

下一个实现（掌握的事情）是数字信号的EM场在介电空间中传播 - 而不是铜。铜只是“引导”电磁波（参考文献5和6）。

当微带线之间首次施加信号（EM波）时并且GRP开始沿着由微带形成的传输线在相邻的GRP上传播。传导电流和位移电流相结合（在电介质上）。

所有激动人心的“EMI材料”都发生在波前作为电磁波传播。此时，初始波阵面后面的电场在此时施加的电压和初始波前的电场为零时是稳定的。信号的快速上升或下降时间包含所有谐波能量，这就是产生EMI的原因。

如果负载阻抗等于传输线的特征阻抗，则不会有EM波反射回源。但是，如果存在不匹配，则会有反射的EM场传播回源。实际上，大多数逼真的数字信号将具有同时在传输线中来回移动的多个反射。这些传播波的过渡区（上升时间或下降时间）可能会产生EMI。

现在您可以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走线（或平面）都应视为传输线。

数字信号传播传输线中的电磁场实际上是铜迹线和GRP之间空间的运动。

要构建传输线，需要两个相邻的部分捕获或包含场地的金属。例如，相邻GRP上的微带或与GRP相邻的带状线或与GRP相邻的功率迹线（或平面）。例如，在电源和接地参考平面之间定位多个信号层将导致快速信号的真正EMI问题。观察这两个规则将决定层叠。

换句话说，每个信号或功率轨迹（布线功率）必须具有相邻的GRP并且所有电力平面都应具有相邻的GRP。多个GRP应使用拼接过孔矩阵连接在一起。

如果您通过间隙或槽打破GRP中传导电流的路径，我们开始在整个电介质空间中“泄漏”EM场，这导致来自电路板的边缘辐射以及通过通孔耦合到其他电路的交叉耦合。如果没有相邻的缝合通孔或缝合电容器（将GRP连接到电源层），我们也会通过多个接地参考或电源平面传递信号。

这些主题和特定的PC板设计将在我的下一篇文章“为EMI设计PCB，第2部分：基本叠加”中进行描述。
 

致谢：我要感谢Eric Bogatin帮助