PCB布局

一些电路设计是在微小的硅晶圆上制造的，而另一些则由电缆连接的各种组件组成。然而，EMC工程师最关注的电路通常是那些铺设在玻璃纤维环氧板上的电路。几乎所有的电子系统中都有类似于图1所示的印刷电路板。电路组件金属针由铜连接痕迹．表面贴装技术(SMT)组件粘在板的顶部和/或底部。Pin-in-hole组件由它们的引脚固定在电路板上，引脚穿过电路板并焊接到对面的走线上。

单层电路板的所有走线都在单板的一侧。双层板的两面都有痕迹。许多电路板都有几层铜痕迹，由玻璃纤维环氧树脂(或类似的电介质)层分开。这些被称为多层板。层数通常是偶数。四层板在低成本产品中非常常见。具有数十层的板有时用于连接具有高组件引脚数的密集板。

图1:印刷电路板。

多层板通常有整层的固体铜平面，专门用于将功率分配到板上的组件。这些平面通常以它们所连接的组件引脚命名。例如，一个铜平面连接所有的V_CC组件的引脚到电源通常被称为V_CC飞机。

元件的放置和走线的布线通常在决定采用印刷电路板的产品的电磁兼容性方面起着至关重要的作用。布局良好的电路板本身不会产生明显的辐射，并且它们可以很好地减少电流和场，这些电流和场可能会将噪声耦合到电缆或板外的其他物体上。它们还被配置为尽量减少外部电流或场耦合干扰信号到电路板上的机会。

印刷电路板布局策略

大多数电路板设计人员使用一系列指导方针来帮助放置组件和路线跟踪。例如，一个典型的指导方针可能是“最小化携带数字时钟信号的所有轨迹的长度”。通常，设计人员不熟悉指导原则的原因，或者不完全理解违反特定应用程序指导原则的后果。

在本教程中，我们将探讨每个EMC工程师在布局印刷电路板或审查现有电路板设计时应采用的4个步骤。这些步骤是:

• 识别潜在的EMI来源和受害者
• 识别关键电流路径
• 识别潜在的天线部件
• 探索可能的耦合机制。

通过执行上面首先概述的步骤，组件放置和跟踪路由决策将变得更加清晰。对于一个特定的设计，哪些设计指导方针是最重要的，哪些是不重要的，这也应该更加明显。

识别潜在的EMI来源和受害者

一个典型的电路板可能有几十个、几百个甚至几千个电路。每个电路都是一个潜在的能量来源，最终可能会不经意地与其他电路或设备耦合。每个电路也是无意耦合噪声的潜在受害者。然而，有些电路比其他电路更有可能成为噪声源，而其他电路更有可能成为受害者。EMC工程师(和电路板设计人员)应该能够识别那些潜在的良好信号源和那些潜在的最易受影响的电路。下面将讨论特别感兴趣的电路。

数字时钟电路

同步数字电路使用一个系统时钟，必须发送到需要解释数字信号的每个活动组件(板上或板下)。时钟信号不断切换，并具有窄带谐波。它们通常是印刷电路板上最有能量的信号之一。因此，在时钟频率的谐波处看到窄带辐射发射峰值并不罕见，如图3所示。

图3:具有25 mhz时钟的产品的辐射发射．

在该图中，辐射发射明显由25 mhz时钟的谐波主导。200 - 1000 MHz的噪声底是用于测量的频谱分析仪的热噪声(经过校正以反映天线因子)。为了使该产品符合FCC或CISPR B级辐射发射规范，必须降低时钟源振幅，降低无意中的“天线”的效率，或者衰减源-天线耦合路径。

数字信号

数字印刷电路板上的大多数走线携带的是数字信息，而不是时钟信号。数字信号不像时钟信号那样具有周期性，它们的随机性质导致噪声更宽。频繁切换的数字信号会产生与时钟信号类似的辐射。这方面的一个例子是微处理器地址总线上最不重要的位，因为步进连续地址会导致该信号在时钟频率上切换。数字信号辐射的确切形式和强度取决于许多因素，包括软件运行和所采用的编码方案。一般来说，数据信号比时钟信号麻烦少;然而，高速数据仍然会产生大量的噪声。

电源开关电路

开关模式电源和DC-DC转换器通过快速开关电流到变压器产生不同的电压。典型的开关频率在10 - 100千赫范围内。这种开关产生的尖峰电流可以耦合噪声到电源输出和板上的其他设备。虽然这种噪声信号是相对周期性的(即窄带谐波)，但在辐射发射测试中，它表现为宽带噪声，因为谐波频率之间的距离低于测量的分辨率带宽。

图3中120 MHz左右的噪声层的小驼峰是由于电源开关噪声造成的。在这个产品中，开关噪声相对于时钟噪声可以忽略不计。然而，在其他产品中，电源开关噪声可以占主导地位，因为只有开关噪声的上谐波落在测量辐射发射的频率范围内。通过降低开关电路的转换时间，总能降低电源开关噪声。然而，这降低了电源的效率，所以替代方法是首选。传导EMI教程中讨论了可能的解决方案。

模拟信号

模拟信号可以是宽带或窄带，高频或低频。如果您的电路板使用模拟信号，熟悉这些信号在时域和频域的情况是一个好主意。窄带、高频模拟信号尤其难以处理。幸运的是，由于模拟信号往往对低水平的噪声敏感，信号完整性的考虑通常要求它们以一种将辐射排放最小化的方式进行布局。

直流电源迹线和低速数字信号

一般来说，直流电源和低速数字信号在辐射发射频率上没有足够的功率来制造麻烦。然而，这些痕迹往往是最困难的辐射发射问题的根源。这是因为这些走线上的无意高频电压和电流可能与高速走线上的电压和电流一样大或更大。

图4:封装集成电路上方的近磁场。

图4显示了个人电脑中常用的动态随机存取存储器模块上方的近磁场图。近磁场提供了在组件封装的引线框架中流动的电流的指示。测量的频率是时钟频率的三次谐波。注意，从直流电源引脚引出的电流比从信号引脚引出的电流多。

图5:微处理器上方的近磁场。

图5显示了在现场可编程门阵列(FPGA)中实现的微处理器上面的近磁场的类似图。在这个图中，我们看到注入到一些低速地址线上的电流几乎和时钟信号中的电流一样强。

高频电流和电压如何出现在低频数据线上?有几种方式可以发生这种情况。大多数都与连接到这些线路的集成电路(ic)的设计和布局有关。一些集成电路在控制内部产生的噪声方面做得很好，而另一些则做得不好。一个糟糕的设计会使连接到IC的每个输入和输出轨迹产生高频电压波动，而好的设计可以相对安静。

当使用一个不熟悉的内部高频时钟的IC布局印刷电路板时，将该IC上的每个引脚视为具有与内部时钟相同特征的高频源是一个好主意。否则，功率或低速数字痕迹可能是辐射发射的最重要来源。

识别当前路径

也许数字电路设计师和EMC工程师之间最重要的区别是，EMC(和信号完整性)工程师密切关注电路中流动的电流和电压。这是非常重要的一点。大多数糟糕的设计都是忽略考虑信号电流可能流向哪里的直接结果。

虽然这已经在前一节中讨论过，但电流路径识别的主题对于良好的印刷电路板设计是如此重要，因此值得在这里回顾一下主要概念。首先，也是最重要的，

1.电流成回路流动。

从电源一侧流出的等量电流必须从另一侧吸入。同时,

2.电流经过阻抗最小的路径。

在低频率(千赫或更低)时，阻抗由电阻决定，因此电流采用电阻最小的路径。在高频率(MHz和更高)时，阻抗由电感项决定，因此电流采取最小电感的路径。

考虑图6所示的电路板布局。一个50mhz的信号在平面上从组件A传播到组件B。我们知道，因此一定有等量的电流从组件B流向组件A。在这种情况下，我们假设电流从标记为GND的组件B的引脚流出，然后回到标记为GND的组件A的引脚。由于提供了一个固体平面，并且两个组件的接地引脚很接近，因此很容易得出这样的结论，即电流在它们之间采用最短路径。然而，我们现在知道这是不正确的。高频电流采用电感最小或回路面积最小的路径。因此，在平面上返回的大部分信号电流在信号迹线正下方的窄路径(路径2)中流动。

图6:信号返回电流经过哪条路径?

如图7所示，如果平面因任何原因被间隔，位置2上的间隔对信号完整性或辐射发射几乎没有影响。然而，位置1的差距可能会导致严重的问题。电流返回的平面下的痕迹被迫绕过缺口。这大大增加了信号回路的面积。

在低频(通常是kHz频率及以下)，平面的电阻倾向于将电流分散开来，以便电流在两个遥远的点之间流动，可以覆盖大部分电路板，如图8所示。在混合信号板上，低频模拟和数字组件，这可能会产生问题。图9说明了在接地平面中放置良好的间隙如何保护位于电路板特定区域的电路免受在该平面中流动的低频回流电流的影响。

图7:哪个间隙位置影响信号回流电流的流向?

图8:低频返回电流路径

图9:带间隙平面的低频返回电流路径．

确定天线

关于电磁辐射的部分指出，要使EMC工程师遇到的大多数非故意天线有效地辐射，基本上必须满足3个条件:

1. 天线必须由两部分组成;
2. 两个部件的电气尺寸都不能小;
3. 一定有什么东西在这两部分之间产生了电压。

大多数印刷电路板在低于约100兆赫兹(λ> 3米)。这意味着任何有效的天线部件都必须相对于大多数板组件大。通常，在低频率下，唯一可用的天线部件是连接的电缆和/或金属底盘。如果印刷电路板的布局方式使这些可能的天线部件中的任何两个之间感应电压的可能性最小化，那么它就不太可能有辐射发射或辐射敏感性问题。

图10显示了两种印刷电路板布局。连接器和底盘连接代表可能有效的天线部件。布局#2在100 MHz以下不太可能出现辐射耦合问题，因为它不太可能在任何两个导体之间产生能够作为有效天线的显著电压。这是通过简单地将两个连接器放在板的同一侧来实现的。

图10。两种印刷电路板布局。

在频率超过100兆赫兹时，波长较短，因此更有可能将安装在电路板上的物体(或电路板本身)用作有效的天线部件。然而，即使在高达几GHz的频率下，这些天线部件也应该相对容易被发现。例如，在1ghz时，自由空间的波长为30厘米。四分之一波长是7.5厘米。因此，一个有效的天线部件必须至少有几厘米长，并相对于同样大或更大的东西驱动。回想一下，差分电流(返回路径在附近的电流)是相对低效的辐射源。这意味着位于电流返回路径旁边或上面的迹线不是一个好的天线部件。因此，如果天线的一半是板上的金属平面，另一半必须向上并远离平面。这有助于使这些天线部件容易识别，即使在相对较高的频率。表1列出了100 MHz以上和100 MHz以下印刷电路板上常见的天线部件。

识别耦合机制

一旦我们确定了潜在的信号源或受害者以及潜在的天线，好的电路板布局只是将两者之间的耦合最小化的问题。之前，我们了解到可能的电磁耦合机制只有4类:

• 进行耦合,
• 电场耦合
• 磁场耦合
• 辐射。

由于我们讨论的是同一印刷电路板上的信号源和天线之间的耦合，我们不太可能有辐射耦合。因此，我们只需要考虑三种耦合机制。传导耦合只会发生在我们已经确定的源直接驱动一个良好的天线部件相对于另一个。传导耦合的一个例子是一个足够长的信号轨迹，它是一个相对于信号返回平面驱动的有效天线部件，但没有在该平面上路由。在这种情况下，源将是信号源，天线将是迹面对。显然，直接驱动到迹线或其他导体上的高频信号需要返回到附近的其他导体上的源，以避免由于源和天线之间的直接传导耦合而产生的辐射发射。

传导耦合往往很容易发现一旦源和天线部分已经确定。然而，场耦合机制往往不太明显。为了使场耦合更直观一点，可以方便地将电场耦合视为与源电压成正比的耦合(电压驱动的)和磁场耦合为与源电流成正比的耦合(电流驱动的）.

图11:印刷电路板与散热器的耦合。

Voltage-Driven耦合

电压驱动耦合导致辐射发射的例子如图11(a)所示，其中显示了在散热器下面路由的信号迹线。如果散热片的电容量不是很小，它就有可能成为有效的天线部件。电路板的金属平面是另一个潜在的天线部件。迹线不直接连接到散热器，因此没有传导耦合路径。然而，由于走线和电路板之间的电场线被散热器拦截，因此，走线上的电压可以相对于电路板驱动散热器，如图11(b)所示。这种电场耦合可以用电容表示，如图11(c)所示。散热器上感应到的相对于电路板的电压为，

通常，电路板设计人员避免将高速信号走线直接放置在大型散热器下。另一个更常见的电压驱动耦合示例如图12所示。主动元件夹在印刷电路板和散热器之间。同样，在感兴趣的频率上，电路板和散热片都不是电小的。元件上的平均电压不等于板上的电压，这是由于元件通过有限连接电感吸取高频电流，如图12(a)所示。如图12(b)中的模型所示，该电压驱动组件的表面相对于板的表面。散热器和热源之间没有直接的连接，所以我们不可能进行耦合。然而，元件表面和散热器之间的电容提供了间接的(电场)连接。

图12:相对于电路板驱动散热器的元件电压。

注意，在这种情况下，是电流驱动电感产生源电压。换句话说，在耦合过程中存在磁场。然而，将组件耦合到天线的场是电场，辐射发射与组件相对于电路板的电压成正比。因此，我们仍然称之为电压驱动耦合。

Current-Driven耦合

当源和天线之间的耦合是由于磁场和成正比的信号电流，它被称为current-driven耦合。电路设计人员经常从电压的角度考虑信号，因此不太可能不经意地用信号电压驱动一个良好的天线。然而，如果他们忽略了电流的流向，他们的设计很有可能会用磁场驱动两个良好的天线部件。

图13展示了电流驱动耦合的一个非常常见的示例。在其他方面设计良好的电路板两侧都有连接器。我们现在假设电缆是完全屏蔽的，电缆屏蔽层连接到电路板上的“地”平面。由一端驱动、另一端终止的单个微带迹线组成的电路位于两个连接器之间。

我们已经知道微带线不是有效的辐射发射源，所以在这个设计中唯一可能的天线部件是两个电缆屏蔽，而且它们都是“接地”的。我们期望两个天线部件具有相同的电势，因为它们是通过一个宽铜平面相互连接的。然而，请记住，对“地”导体的一个重要要求是它不能携带有意的功率或信号电流。

图13:电路板上的电流驱动耦合示例。

如图13(b)所示，本设计中的“地”平面确实携带信号电流。事实上，在平面内流动的电流产生了环绕平面的磁通量。如果我们将两根电缆视为天线的一部分，并用天线阻抗表示天线电流路径，如图13(c)所示，很明显，流经微带迹线电路的电流在平面上诱导电压，使一根电缆相对于另一根电缆。

虽然平面上的感应电压通常比信号电压低几个数量级，但高效天线上的几毫伏噪声足以超过FCC和CISPR的辐射发射要求。事实上，当高速数字元件位于非屏蔽产品板上连接器之间时，很难满足辐射发射要求。另一方面，当两个连接器彼此相邻时，磁场不太可能在它们之间诱导出足够的电压来引起问题。

直接耦合到I/O

尽管严格地说，它不是一个独立的耦合机制，但印刷电路板布局中出现的一个常见问题是，从噪声源直接耦合到能够将该噪声带离电路板的迹线。图14给出了一个例子。中等高速的跟踪与连接到连接器的另一个跟踪一起路由。电压和/或电流从一个迹线耦合到另一个(通过电场或磁场)可以沿I/O迹线向下传播并离开电路板。在图中所示的示例中，两个天线部件可以是相对于电路板驱动的I/O电缆，也可以是I/O电缆中的一根相对于另一根驱动的电线。

图14:一个可能的耦合问题。

您可能认为这是一个罕见的问题，因为一旦您看到它，它是相当明显的。然而，在一个有成百上千条线路的电路板上，这种情况出现的频率比它应该出现的要高。如果您的自动寻径器不能检查在高速寻径附近路由的I/O寻径，那么它应该手动完成。这同样也适用于I/O走线在连接到易受攻击输入的走线附近路由，因为辐射噪声进入电路板的最简单方法是通过I/O。

印刷电路板设计指南

正如前面提到的，许多电路板设计人员使用一系列指导方针来帮助放置组件和路径跟踪。现在我们对印刷电路板上的噪声源、天线和耦合机制有了更多的了解，我们可以仔细看看这些设计准则中的一些，并理解它们为什么和什么时候重要。以下是16个印刷电路板的EMC设计准则以及每个准则的简短说明。

1.携带高速数字信号或时钟的迹线长度应尽量缩短。

高速数字信号和时钟通常是最强的噪声源。这些轨迹越长，就有越多的机会将能量从这些轨迹中耦合出去。还要记住，循环区域通常比迹线长度更重要。确保每个轨迹附近都有一个良好的高频电流返回路径。

2.直接连接到连接器的迹线(I/O迹线)的长度应该最小化。

直接连接到连接器的走线可能是能量在板上或板外耦合的路径。

3.含有高频内容的信号不应路由到用于单板I/O的组件下面。

在组件下布线的线路可以电容式或电感式地将能量耦合到该组件。

4.所有连接器应位于单板的一个边缘或一个角上。

在大多数设计中，连接器是最高效的天线部件。将它们定位在电路板的同一边缘，可以更容易地控制可能驱动一个连接器相对于另一个连接器的共模电压。

5.I/O连接器之间不应安装高速电路。

即使两个连接器位于电路板的同一边缘，位于它们之间的高速电路也可以诱导足够的共模电压来驱动一个连接器相对于另一个，从而产生显著的辐射发射。

6.关键信号或时钟迹线应该埋在电源/地平面之间。

在两个实体平面之间的层上路由跟踪可以很好地包含来自这些跟踪的字段，并防止不必要的耦合。

7.选择有最大可接受的片外转换时间的有源数字元件。

如果数字波形的转换时间比需要的快，则上层谐波中的功率可能比必要的高得多。如果使用的逻辑转换时间比他们需要的快，他们通常可以使用串联电阻或铁氧体减慢。

8.来自单个设备的所有板外通信都应通过相同的连接器路由。

许多组件(尤其是大型VLSI器件)在不同的I/O引脚之间会产生大量的共模噪声。如果其中一个设备连接到多个连接器，这种共模噪声将潜在地驱动一个良好的天线。(该设备也更容易受到天线带来的辐射噪声的影响。)

9.高速(或易受影响)走线应至少从电路板边缘布线2X，其中X是走线与其返回电流路径之间的距离。

与非常接近板边缘的痕迹相关的电场和磁场线不太好地包含。从这些轨迹来看，天线之间的串扰和耦合往往更大。

10.差分信号迹线对应路由在一起，并与任何固体平面保持相同的距离。

如果差分信号是平衡的(即它们具有相同的长度并相对于其他导体保持相同的阻抗)，则差分信号不太容易受到噪声的影响，也不太可能产生辐射发射。

11.所有功率(例如电压)平面，参考相同的电源返回(例如地)平面，应路由在同一层。

如果，例如，一个板采用三个电压3.3伏，3.3伏模拟和1.0伏;然后，通常需要最小化这些平面之间的高频耦合。将电压平面放在同一层将确保没有重叠。这也将有助于促进一个有效的布局，因为有源器件不太可能需要两个不同的电压在板上的任何一个位置。

12.同一层中任意两个电源平面之间的距离应至少为3mm。

如果两个平面在同一层上彼此靠得太近，可能会发生显著的高频耦合。在不利条件下，如果平面间隔太近，电弧或短路也可能是一个问题。

13.在有电源和接地平面的电路板上，不应使用任何痕迹连接电源或接地。连接应使用与组件的电源或接地垫相邻的通孔。

连接到位于不同层的平面上的迹线占用空间并为连接增加电感。如果高频阻抗是一个问题(就像电源母线去耦连接一样)，这种电感会显著降低连接的性能。

14.如果设计有一个以上的接地平面层，那么在给定位置的任何接地连接都应该与该位置的所有接地层连接。

这里的总体指导原则是，如果允许，高频电流将采取最有益的(最低电感)路径。不要试图通过只连接到特定的平面来引导这些电流的流动。

15.接地面不得有缝隙或槽位。

通常最好有一个坚实的地面(信号返回)平面和一个专门用于该平面的层。任何必须从接地平面直流隔离的额外功率或信号电流返回都应在专用于接地平面的层以外的层上布线。

16.电路板上所有与机箱、电缆或其他良好的“天线部件”接触(或耦合)的电源或接地导体都应在高频下连接在一起。

不同导体之间的非预期电压(名义上称为“地”)是辐射发射和磁化率问题的主要来源。

除了上面的16条指导方针，电路板设计师经常使用特定于他们行业的指导方针。例如，“采用锁相环的时钟产生电路应该有自己的隔离电源，该电源来自通过#1234铁氧体珠的电路板电源。”这些基于经验的指导方针对知识渊博的电路板设计师来说是无价的。然而，这些相同的指导方针适用于其他设计，而不知道它们来自哪里或为什么它们有效，可能会导致浪费精力和无功能的电路板。理解每一条准则背后的基本物理原理是非常重要的。

在你评估的每一个设计中，识别潜在的噪声源、天线和耦合路径也很重要。最好的设计不会是最符合指导方针的设计。最好的设计是以最低的成本和最高的可靠性满足所有规范的设计。

把它们放在一起

因此，我们有了一份设计准则的清单，并基本了解了它们为什么以及何时重要。让我们试着将它们应用到前面提出的测试问题中，即图2中的哪种电路板布局是最好的。

希望您可以快速消除选项(b)，即在返回平面中穿过一个间隙的轨迹的设计。方案(a)采用最短的轨迹，因此是最好的方案，前提是地平面上的间隙确实是不必要的。如果存在低频共阻抗耦合问题，使得间隙不可避免，那么选项(c)几乎与选项(a)在这条迹线的路由方面一样好。记住，微带信号迹线的长度并不像它的整个回路面积那么重要。