EMC教程系列之PCB布局

一些電路設(shè)計(jì)是在微小的硅晶片上制造的，而另一些則是由電纜連接的各種元件組成。然而，通常EMC工程師關(guān)注的中心電路是那些鋪在玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂板上的電路。在幾乎所有的電子系統(tǒng)中都可以找到類(lèi)似于圖1所示的印刷電路板。電路組件用金屬針連接的是銅蹤跡 .表面貼裝技術(shù)（SMT）組件粘在板的頂部和/或底部。銷(xiāo)孔元件通過(guò)插針固定在電路板上，插針穿過(guò)電路板，焊接到對(duì)面的痕跡上。

單層線(xiàn)路板的所有線(xiàn)路都在線(xiàn)路板的一側(cè)布線(xiàn)。雙層板兩邊都有痕跡。許多電路板都有幾層銅線(xiàn)，用玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂（或類(lèi)似的電介質(zhì)）隔開(kāi)。這些被稱(chēng)為多層板。層數(shù)通常是偶數(shù)。四層板在低成本產(chǎn)品中非常常見(jiàn)。具有幾十層的板有時(shí)用于連接具有高元件管腳數(shù)的密集板。

圖1：印刷電路板

多層板通常有一整層的實(shí)心銅平面，專(zhuān)門(mén)用于向板上的組件分配功率。這些平面通常以它們所連接的元件接點(diǎn)命名。例如，一個(gè)連接所有V形科科斯群島連接到電源的元件通常稱(chēng)為V科科斯群島飛機(jī)

元件的放置和布線(xiàn)通常在決定使用印刷電路板的產(chǎn)品的電磁兼容性方面起著至關(guān)重要的作用。布局良好的電路板本身不會(huì)產(chǎn)生明顯的輻射，而且它們能夠很好地減少電流和磁場(chǎng)，這些電流和磁場(chǎng)可能會(huì)將噪聲耦合到電路板外的電纜或其他物體上。它們也被配置成盡量減少外部電流或磁場(chǎng)將干擾信號(hào)耦合到電路板上的機(jī)會(huì)。

大多數(shù)電路板設(shè)計(jì)者使用一個(gè)指導(dǎo)方針列表來(lái)幫助放置元件和布線(xiàn)軌跡。例如，一個(gè)典型的準(zhǔn)則可能是“最小化攜帶數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)的所有記錄道的長(zhǎng)度”。通常，設(shè)計(jì)者不熟悉該準(zhǔn)則的原因，或者不完全理解違反該準(zhǔn)則對(duì)特定應(yīng)用的后果。

假設(shè)你正在布置一個(gè)高速多層印刷電路板，你需要從一個(gè)數(shù)字元件到一個(gè)模擬放大器發(fā)送一個(gè)攜帶高頻信號(hào)的軌跡。您希望將出現(xiàn)電磁兼容性（EMC）問(wèn)題的可能性降到最低，因此您可以在web上搜索EMC設(shè)計(jì)指南，并找到三條似乎與您的情況相關(guān)的指導(dǎo)原則：

1. 盡可能減少高速線(xiàn)路的長(zhǎng)度；

2. 模擬電路和數(shù)字電路之間的任何實(shí)心平面都要有間隙；

3. 千萬(wàn)不要讓高速跟蹤穿過(guò)信號(hào)返回平面的間隙。

在圖2中，你可以直接在圖中的兩個(gè)路徑之間繪制路徑。第二種路由策略將飛機(jī)隔開(kāi)，但會(huì)在間隙上路由軌跡。第三種路由策略在縫隙周?chē)季€(xiàn)。這些備選方案都違反了其中一條準(zhǔn)則。哪個(gè)是最好的選擇？

圖2：哪種是最好的跟蹤路由選擇？

每種選擇都是一樣好的，因?yàn)樗鼭M(mǎn)足3條準(zhǔn)則中的2條嗎？它們都是壞的，因?yàn)樗鼈兌歼`反了至少一條準(zhǔn)則？這些都是電路板設(shè)計(jì)師每天都要面對(duì)的問(wèn)題。做出正確的選擇可能是符合所有要求的電路板與存在嚴(yán)重輻射****或敏感度問(wèn)題的電路板之間的區(qū)別。在這種情況下，其中一個(gè)選擇比另外兩個(gè)好得多。然而，在我們給出正確答案之前，讓我們來(lái)制定一個(gè)評(píng)估印刷電路板布局的策略。有了正確的策略，這個(gè)測(cè)驗(yàn)問(wèn)題的正確答案就會(huì)變得顯而易見(jiàn)。

在本教程中，我們將探討每個(gè)EMC工程師在布置印刷電路板或查看現(xiàn)有電路板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用的4個(gè)步驟。這些步驟是：

• 識(shí)別潛在的電磁干擾源和受害者

• 確定關(guān)鍵電流路徑

• 識(shí)別潛在的天線(xiàn)部件

• 探索可能的耦合機(jī)制

通過(guò)首先采取上述步驟，組件放置和跟蹤路由決策將變得更加清晰。對(duì)于一個(gè)特定的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，哪些設(shè)計(jì)指南最重要，哪些根本不重要，這一點(diǎn)也應(yīng)該更加明顯。

一個(gè)典型的電路板可能有幾十個(gè)、幾百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)電路。每一個(gè)電路都是一個(gè)潛在的能量源，最終可能會(huì)被無(wú)意地耦合到其他電路或設(shè)備上。每個(gè)電路也是無(wú)意耦合噪聲的潛在受害者。然而，有些電路比其他電路更容易成為噪聲源，而其他電路則更容易成為受害者。EMC工程師（和電路板設(shè)計(jì)人員）應(yīng)該能夠識(shí)別出哪些電路是潛在的好電源，哪些電路可能是最易受影響的。下面討論特別感興趣的電路。

同步數(shù)字電路采用一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，該時(shí)鐘必須發(fā)送到每個(gè)需要解釋數(shù)字信號(hào)的有源元件（板上或板外）。時(shí)鐘信號(hào)不斷切換，并具有窄帶諧波。它們通常是印刷電路板上能量最強(qiáng)的信號(hào)之一。因此，在時(shí)鐘頻率的諧波處出現(xiàn)窄帶輻射****峰值并不少見(jiàn)，如圖3所示。

圖3:25MHz時(shí)鐘產(chǎn)品的輻射**** .

在這張圖中，輻射****明顯由25MHz時(shí)鐘的諧波控制。200–1000 MHz的噪聲下限是用于進(jìn)行測(cè)量的頻譜分析儀的熱噪聲（校正以反映天線(xiàn)系數(shù)）。為了使該產(chǎn)品符合FCC或CISPR B類(lèi)輻射****規(guī)范，必須降低時(shí)鐘源振幅，降低無(wú)意中的“天線(xiàn)”效率，或減弱源-天線(xiàn)耦合路徑。

數(shù)字印刷電路板上的大多數(shù)記錄道攜帶的是數(shù)字信息，而不是時(shí)鐘信號(hào)。數(shù)字信號(hào)不像時(shí)鐘信號(hào)那樣周期性，它們的隨機(jī)性導(dǎo)致噪聲更寬頻帶。頻繁切換的數(shù)字信號(hào)會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似時(shí)鐘信號(hào)的輻射。一個(gè)例子是微處理器地址總線(xiàn)上的最低有效位，因?yàn)閱尾綀?zhí)行連續(xù)地址會(huì)導(dǎo)致該信號(hào)以時(shí)鐘頻率切換。數(shù)字信號(hào)輻射的確切形式和強(qiáng)度取決于許多因素，包括軟件運(yùn)行和所采用的編碼方案。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)信號(hào)比時(shí)鐘信號(hào)不那么麻煩；然而，高速數(shù)據(jù)仍然會(huì)產(chǎn)生大量的噪聲。

開(kāi)關(guān)電源和DC-DC變換器通過(guò)快速接通和關(guān)閉變壓器的電流來(lái)產(chǎn)生不同的電壓。典型的開(kāi)關(guān)頻率在10-100kHz范圍內(nèi)。這種開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電流尖峰可以將噪聲耦合到功率輸出和板上的其他設(shè)備上。盡管該噪聲信號(hào)是相對(duì)周期性的（即窄帶諧波），但由于諧波頻率之間的距離低于測(cè)量的分辨率帶寬，因此在輻射****試驗(yàn)期間，它表現(xiàn)為寬帶噪聲。

圖3中120MHz附近的噪聲底峰是由電源開(kāi)關(guān)噪聲引起的。在這個(gè)產(chǎn)品中，開(kāi)關(guān)噪聲相對(duì)于時(shí)鐘噪聲可以忽略不計(jì)。然而，在其他產(chǎn)品中，功率開(kāi)關(guān)噪聲占主導(dǎo)地位，因?yàn)橹挥虚_(kāi)關(guān)噪聲的高次諧波落在測(cè)量輻射****的頻率范圍內(nèi)。通過(guò)降低開(kāi)關(guān)電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間，可以降低功率開(kāi)關(guān)噪聲。但是，這會(huì)降低電源的效率，因此首選替代方法。在傳導(dǎo)EMI教程中討論了可能的解決方案。

模擬信號(hào)可以是寬帶或窄帶、高頻或低頻。如果您的電路板使用模擬信號(hào)，那么最好熟悉這些信號(hào)在時(shí)域和頻域中的樣子。窄帶、高頻模擬信號(hào)尤其難以處理。幸運(yùn)的是，由于模擬信號(hào)往往對(duì)低水平的噪聲敏感，信號(hào)完整性的考慮通常決定了它們的布置方式將使輻射****最小化。

一般來(lái)說(shuō)，直流電源和低速數(shù)字信號(hào)在輻射****頻率下沒(méi)有足夠的功率是很麻煩的。然而，這些痕跡往往是最困難的輻射****問(wèn)題的根源。這是因?yàn)檫@些線(xiàn)路上無(wú)意中產(chǎn)生的高頻電壓和電流可能與高速線(xiàn)路上的電壓和電流一樣大或更大。

圖4：封裝集成電路上方的近磁場(chǎng)。

圖4顯示了個(gè)人計(jì)算機(jī)中常用的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器模塊上方的近磁場(chǎng)圖。近磁場(chǎng)提供了組件封裝引線(xiàn)框架中流動(dòng)電流的指示。測(cè)量的頻率是時(shí)鐘頻率的三次諧波。請(qǐng)注意，從直流電源引腳吸取的電流比從信號(hào)引腳吸取的電流要多。

圖5：微處理器上方的近磁場(chǎng)

圖5顯示了在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）中實(shí)現(xiàn)的微處理器上方的類(lèi)似近磁場(chǎng)圖。在這個(gè)圖中，我們看到注入到一些低速地址線(xiàn)的電流幾乎和時(shí)鐘信號(hào)中的電流一樣強(qiáng)。

高頻電流和電壓如何出現(xiàn)在低頻數(shù)據(jù)線(xiàn)上？這有幾種可能發(fā)生的方式。大多數(shù)都與這些線(xiàn)路相連的集成電路（IC）的設(shè)計(jì)和布局有關(guān)。有些集成電路能很好地抑制內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲，而另一些則不行。一個(gè)糟糕的設(shè)計(jì)會(huì)在連接到集成電路的每個(gè)輸入和輸出軌跡上產(chǎn)生高頻電壓波動(dòng)。好的設(shè)計(jì)可以相對(duì)安靜。

當(dāng)用一個(gè)不熟悉的集成電路板來(lái)布置印刷電路板時(shí)，最好將該集成電路上的每一個(gè)管腳都當(dāng)作一個(gè)高頻源，具有與內(nèi)部時(shí)鐘相同的特性。否則，功率或低速數(shù)字軌跡可能是最重要的輻射源。

也許數(shù)字電路設(shè)計(jì)師和EMC工程師之間最重要的區(qū)別是，EMC（和信號(hào)完整性）工程師密切關(guān)注電路中流動(dòng)的電流和電壓。這是非常重要的一點(diǎn)。大多數(shù)糟糕的設(shè)計(jì)都是由于忽略了信號(hào)電流可能流向何處而造成的。

雖然在前面的章節(jié)中已經(jīng)討論過(guò)了，但是電流路徑識(shí)別對(duì)于良好的印刷電路板設(shè)計(jì)是非常重要的，因此這里有必要回顧一下主要的概念。首先也是最重要的，

從電源一側(cè)流出的電流必須從另一側(cè)吸入。也，

在低（kHz及更低）頻率下，阻抗由電阻控制，因此電流采用電阻最小的路徑。在高（MHz及更高）頻率下，阻抗由電感項(xiàng)控制，因此電流采用最小電感路徑。

考慮圖6所示的電路板布局。50 MHz信號(hào)在平面上方的跡線(xiàn)上從元件A傳播到元件B。我們知道，因此必須有等量的電流從元件B流向元件A。在這種情況下，我們假設(shè)電流從元件B的管腳流出，并返回元件A標(biāo)記為GND的管腳。由于提供了一個(gè)實(shí)心平面，并且兩個(gè)元件的接地引腳都很近，因此很容易得出這樣的結(jié)論：電流在它們之間的路徑最短。然而，我們現(xiàn)在知道這是不正確的。高頻電流采用最小電感路徑或最小回路面積路徑。因此，返回到平面上的大部分信號(hào)電流在信號(hào)軌跡正下方的窄路徑（路徑2）中流動(dòng)。

圖6：信號(hào)返回電流采用哪條路徑？

如圖7所示，如果飛機(jī)因任何原因而有間隙，位置2的間隙對(duì)信號(hào)完整性或輻射****幾乎沒(méi)有影響。然而，位置1的差距可能會(huì)導(dǎo)致重大問(wèn)題。飛機(jī)上返回的電流在跡線(xiàn)下被迫繞過(guò)縫隙。這大大增加了信號(hào)環(huán)路面積。

在低頻（通常為kHz及以下）時(shí)，平面的電阻趨向于分散電流，以便在兩個(gè)遠(yuǎn)處點(diǎn)之間流動(dòng)的電流可以覆蓋電路板的大部分，如圖8所示。在帶有低頻模擬和數(shù)字元件的混合信號(hào)板上，這可能會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。圖9說(shuō)明了接地層中放置良好的間隙如何保護(hù)位于電路板特定區(qū)域的電路不受在平面內(nèi)流動(dòng)的低頻回流電流的影響。

圖7：哪個(gè)分割位置影響信號(hào)返回電流的流動(dòng)？

圖8：低頻回流路徑

圖9：有分割平面的低頻回流路徑 .

電磁輻射一節(jié)指出，要使EMC工程師遇到的大多數(shù)意外天線(xiàn)有效輻射，基本上必須滿(mǎn)足3個(gè)條件：

1. 天線(xiàn)必須有兩部分；

2. 兩個(gè)部件都不能電小；

3. 一定有東西在這兩個(gè)部分之間感應(yīng)出電壓。

大多數(shù)印刷電路板在低于100MHz的頻率下電小( 有限合伙人>3米）。這意味著，任何有效的天線(xiàn)部件都必須與大多數(shù)板部件相比相對(duì)較大。通常，在低頻下，唯一可行的天線(xiàn)部件是連接的電纜和/或金屬底盤(pán)。如果印刷電路板的布置方式將在這些可能的天線(xiàn)部件中的任何兩個(gè)之間產(chǎn)生電壓的可能性降到最低，那么它就不太可能出現(xiàn)輻射****或輻射敏感度問(wèn)題。

圖10顯示了兩個(gè)印刷電路板布局。連接器和機(jī)箱連接代表可能的高效天線(xiàn)部件。布局#2不太可能出現(xiàn)低于100MHz的輻射耦合問(wèn)題，因?yàn)樗惶赡茉谌魏蝺蓚€(gè)能夠充當(dāng)有效天線(xiàn)的導(dǎo)體之間產(chǎn)生顯著的電壓。只需將兩個(gè)連接器放在電路板的同一側(cè)即可實(shí)現(xiàn)。

圖10.兩個(gè)印刷電路板布局。

在頻率高于100MHz時(shí)，波長(zhǎng)更短，安裝在電路板（或電路板本身）上的物體更有可能成為高效的天線(xiàn)部件。然而，即使在高達(dá)幾千兆赫的頻率下，這些天線(xiàn)部件也應(yīng)該相對(duì)容易被發(fā)現(xiàn)。例如，在1GHz時(shí)，自由空間中的波長(zhǎng)是30cm。四分之一波長(zhǎng)是7.5cm。因此，一個(gè)有效的天線(xiàn)部件必須至少有幾厘米長(zhǎng)，并且相對(duì)于同樣大或更大的物體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。回想一下，差電流（回流路徑在附近的電流）是相對(duì)低效的輻射源。這意味著位于其當(dāng)前返回路徑旁邊或上方的跟蹤不是一個(gè)好的天線(xiàn)部分。因此，如果天線(xiàn)的一半是電路板上的金屬平面，另一半必須豎起，遠(yuǎn)離平面。這有助于使這些天線(xiàn)部件即使在相對(duì)較高的頻率下也易于識(shí)別。表1列出了100MHz以上和以下的印刷電路板上常見(jiàn)的天線(xiàn)部件。

表1：印刷電路板對(duì)象可能是或可能不是一個(gè)好天線(xiàn)的一部分 .

一旦我們確定了潛在的源或受害者和潛在的天線(xiàn)，好的電路板布局就是將兩者之間的耦合最小化。之前，我們了解到，可能的電磁耦合機(jī)制只有4類(lèi)：

• 傳導(dǎo)耦合

• 電場(chǎng)耦合

• 磁場(chǎng)耦合

• 輻射

因?yàn)槲覀冇懻摰氖峭挥∷㈦娐钒迳系脑春吞炀€(xiàn)之間的耦合，所以我們不太可能有輻射耦合。因此，我們只需要考慮三種耦合機(jī)制。傳導(dǎo)耦合只會(huì)發(fā)生在我們已經(jīng)確定的源直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)好的天線(xiàn)部件相對(duì)于另一個(gè)。傳導(dǎo)耦合的一個(gè)例子是，信號(hào)軌跡足夠長(zhǎng)，可以作為相對(duì)于信號(hào)返回平面驅(qū)動(dòng)的有效天線(xiàn)部件，但不能在該平面上布線(xiàn)。在這種情況下，源將是信號(hào)源，天線(xiàn)將是跟蹤平面對(duì)。直接輻射到天線(xiàn)附近的其他導(dǎo)體上，以避免直接輻射到其他****源的導(dǎo)體上。

一旦源和天線(xiàn)部件被識(shí)別出來(lái)，傳導(dǎo)耦合就很容易被發(fā)現(xiàn)。然而，場(chǎng)耦合機(jī)制往往不那么明顯。為了使場(chǎng)耦合更加直觀，可以方便地將電場(chǎng)耦合看作與源電壓成正比的耦合(電壓驅(qū)動(dòng))磁場(chǎng)耦合與源電流成正比(電流驅(qū)動(dòng) ).

圖11：印刷電路板跟蹤耦合到散熱器。

圖11（a）給出了導(dǎo)致輻射****的電壓驅(qū)動(dòng)耦合的一個(gè)例子，圖中顯示了一個(gè)在散熱片下方布線(xiàn)的信號(hào)軌跡。如果散熱片不是電小，它可能是一個(gè)有效的天線(xiàn)部件。電路板的金屬平面是另一個(gè)潛在的天線(xiàn)部件。跟蹤不直接連接到散熱器，因此沒(méi)有傳導(dǎo)耦合路徑。然而，軌跡上的電壓可以驅(qū)動(dòng)相對(duì)于電路板的散熱器，因?yàn)檐壽E和電路板之間的電場(chǎng)線(xiàn)被散熱器截獲，如圖11（b）所示。這種電場(chǎng)耦合可以用電容表示，如圖11（c）所示。散熱器上感應(yīng)到的相對(duì)于板的電壓由下式給出，

通常，電路板設(shè)計(jì)者避免在大型散熱片下直接布線(xiàn)高速信號(hào)軌跡。另一個(gè)更常見(jiàn)的電壓驅(qū)動(dòng)耦合示例如圖12所示。有源元件夾在印刷電路板和散熱器之間。同樣，在感興趣的頻率下，板和散熱器都不是電小的。如圖12（a）所示，元件上的平均電壓不等于電路板上的電壓，這是因?yàn)樵ㄟ^(guò)有限連接電感吸收高頻電流。如圖12（b）中的模型所示，此電壓驅(qū)動(dòng)元件相對(duì)于電路板表面的表面。散熱片和電源之間沒(méi)有直接的連接，所以我們不能進(jìn)行耦合。然而，部件表面和散熱器之間的電容提供了一個(gè)間接（電場(chǎng)）連接。

圖12：相對(duì)于電路板驅(qū)動(dòng)散熱片的元件電壓。

注意，在這個(gè)例子中，是電流驅(qū)動(dòng)電感產(chǎn)生了源電壓。換言之，耦合過(guò)程中存在一個(gè)磁場(chǎng)。然而，將元件與天線(xiàn)耦合的場(chǎng)是電場(chǎng)，輻射****與元件相對(duì)于電路板的電壓成正比。因此，我們?nèi)詫⑵浞Q(chēng)為電壓驅(qū)動(dòng)耦合。

當(dāng)源和天線(xiàn)之間的耦合是由于磁場(chǎng)和信號(hào)電流成比例時(shí)，它被稱(chēng)為電流驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器。電路設(shè)計(jì)人員通常將信號(hào)視為電壓，因此不太可能無(wú)意中用信號(hào)電壓驅(qū)動(dòng)一個(gè)好的天線(xiàn)。然而，如果他們忽略了電流流向何處，他們的設(shè)計(jì)很有可能在磁場(chǎng)中驅(qū)動(dòng)兩個(gè)好的天線(xiàn)部件。

圖13給出了電流驅(qū)動(dòng)耦合的一個(gè)非常常見(jiàn)的例子。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的電路板的每一側(cè)都有連接器。我們現(xiàn)在假設(shè)電纜是完全屏蔽的，電纜屏蔽層連接到電路板上的“接地”平面上。一個(gè)由一端驅(qū)動(dòng)，另一端端接的微帶線(xiàn)組成的電路位于兩個(gè)連接器之間。

我們已經(jīng)知道微帶線(xiàn)并不是有效的輻射****源，所以在這個(gè)設(shè)計(jì)中，唯一可能的天線(xiàn)部件就是兩個(gè)電纜屏蔽層，它們都是“接地”的。我們預(yù)計(jì)這兩個(gè)天線(xiàn)部件的電位是相同的，因?yàn)樗鼈冇靡粋€(gè)寬的銅平面相互連接。但是，請(qǐng)記住，“接地”導(dǎo)體的一個(gè)重要要求是，它不攜帶有意的功率或信號(hào)電流。

圖13：電路板上的電流驅(qū)動(dòng)耦合示例。

如圖13（b）所示，本設(shè)計(jì)中的“接地”平面確實(shí)攜帶信號(hào)電流。事實(shí)上，在飛機(jī)中流動(dòng)的電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)環(huán)繞飛機(jī)的磁通量。如果我們將兩根電纜視為天線(xiàn)的一部分，并用天線(xiàn)阻抗表示天線(xiàn)電流路徑，如圖13（c）所示，很明顯，在微帶跟蹤電路中流動(dòng)的電流會(huì)在平面上產(chǎn)生電壓，從而驅(qū)動(dòng)一根電纜相對(duì)于另一根電纜。

雖然在飛機(jī)上感應(yīng)到的電壓通常比信號(hào)電壓低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但一個(gè)高效天線(xiàn)上的幾毫伏噪聲就足以超過(guò)FCC和CISPR的輻射****要求。事實(shí)上，當(dāng)高速數(shù)字元件位于非屏蔽產(chǎn)品板上連接器之間時(shí)，很難滿(mǎn)足輻射****要求。另一方面，當(dāng)兩個(gè)連接器相鄰時(shí)，磁場(chǎng)不太可能在它們之間感應(yīng)到足夠的電壓來(lái)引起問(wèn)題。

盡管?chē)?yán)格地說(shuō)，它不是一個(gè)獨(dú)立的耦合機(jī)制，但印刷電路板布局中的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是直接將噪聲源耦合到能夠?qū)⒃肼晭С鲭娐钒宓能壽E上。一個(gè)例子如圖14所示。一個(gè)中等高速的跟蹤與另一個(gè)連接到連接器的跟蹤一起路由。從一個(gè)記錄道耦合到另一個(gè)記錄道的電壓和/或電流（通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)）可以沿著I/O記錄道傳播并離開(kāi)板。在圖中所示的示例中，兩個(gè)天線(xiàn)部件可以是相對(duì)于板驅(qū)動(dòng)的I/O電纜，也可以是相對(duì)于另一個(gè)板驅(qū)動(dòng)的I/O電纜中的一根導(dǎo)線(xiàn)。

圖14：可能的耦合問(wèn)題。

你可能會(huì)認(rèn)為這是一個(gè)罕見(jiàn)的問(wèn)題，因?yàn)橐坏┠憧吹剿?，它是相?dāng)明顯的。然而，在一個(gè)有成百上千條軌跡的電路板上，這種情況經(jīng)常出現(xiàn)。如果自動(dòng)路由器無(wú)法檢查在高速跟蹤附近路由的I/O跟蹤，則應(yīng)手動(dòng)執(zhí)行。這同樣適用于在連接到易受攻擊輸入的記錄道附近路由的I/O記錄道，因?yàn)檩椛湓肼曔M(jìn)入電路板的最簡(jiǎn)單方法是通過(guò)I/O。

如前所述，許多電路板設(shè)計(jì)者使用一系列指南來(lái)幫助放置元件和布線(xiàn)軌跡。既然我們對(duì)印刷電路板上的噪聲源、天線(xiàn)和耦合機(jī)制有了更多的了解，我們就可以更仔細(xì)地看一下這些設(shè)計(jì)指南，并了解它們的重要性和重要性。下面列出了16種印制電路板的電磁兼容設(shè)計(jì)指南，并對(duì)每種準(zhǔn)則作了簡(jiǎn)要說(shuō)明。

1.應(yīng)盡量減少攜帶高速數(shù)字信號(hào)或時(shí)鐘的記錄道長(zhǎng)度。

高速數(shù)字信號(hào)和時(shí)鐘通常是最強(qiáng)的噪聲源。這些痕跡越長(zhǎng)，就有越多的機(jī)會(huì)將能量從這些痕跡中分離出來(lái)。還要記住，循環(huán)區(qū)域通常比軌跡長(zhǎng)度更重要。確保每個(gè)軌跡附近都有良好的高頻電流返回路徑。

2.應(yīng)盡量減少直接連接到連接器（I/O記錄道）的記錄道長(zhǎng)度。

直接連接到連接器上的痕跡可能是能量在板上或板外耦合的路徑。

3.具有高頻內(nèi)容的信號(hào)不應(yīng)在用于板I/O的組件下方布線(xiàn)。

在一個(gè)部件下走線(xiàn)的軌跡可以電容或感應(yīng)地將能量耦合到該部件上。

4.所有連接器應(yīng)位于板的一個(gè)邊緣或一個(gè)角上。

連接器是大多數(shù)設(shè)計(jì)中效率最高的天線(xiàn)部件。把它們放在電路板的同一個(gè)邊緣上，可以更容易地控制共模電壓，這種電壓可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)連接器相對(duì)于另一個(gè)連接器。

5.輸入/輸出連接器之間不得有高速電路。

即使兩個(gè)連接器位于電路板的同一個(gè)邊緣，位于它們之間的高速電路也可以感應(yīng)到足夠的共模電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)連接器相對(duì)于另一個(gè)連接器，從而產(chǎn)生顯著的輻射****。

6.關(guān)鍵信號(hào)或時(shí)鐘軌跡應(yīng)埋在電源/接地層之間。

在兩個(gè)實(shí)體平面之間的層上布線(xiàn)跡線(xiàn)可以很好地包含這些跡線(xiàn)的場(chǎng)并防止不必要的耦合。

7.選擇具有最大可接受片外轉(zhuǎn)換時(shí)間的有源數(shù)字組件。

如果數(shù)字波形的轉(zhuǎn)換時(shí)間比需要的快，則高次諧波中的功率可能比需要的高得多。如果所用邏輯的轉(zhuǎn)換時(shí)間比需要的快，通?？梢允褂么?lián)電阻或鐵氧體來(lái)減慢。

8.來(lái)自單個(gè)設(shè)備的所有非車(chē)載通信應(yīng)通過(guò)同一連接器進(jìn)行路由。

許多元件（特別是大型VLSI器件）在不同的I/O管腳之間產(chǎn)生大量的共模噪聲。如果這些設(shè)備中的一個(gè)連接到多個(gè)連接器，這種共模噪聲可能會(huì)驅(qū)動(dòng)一個(gè)好的天線(xiàn)(該設(shè)備也更容易受到天線(xiàn)輻射噪聲的影響。）

9.高速（或敏感）記錄道應(yīng)至少?gòu)碾娐钒暹吘壸?倍，其中X是記錄道與其返回電流路徑之間的距離。

與極靠近電路板邊緣的痕跡相關(guān)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)線(xiàn)不那么完整。與天線(xiàn)之間的串?dāng)_和耦合往往比這些跡線(xiàn)更大。

10.差分信號(hào)跡線(xiàn)對(duì)應(yīng)一起布線(xiàn)，并與任何實(shí)心平面保持相同的距離。

如果差分信號(hào)是平衡的（即它們具有相同的長(zhǎng)度并保持與其他導(dǎo)體相同的阻抗），則不太容易受到噪聲的影響，也不太可能產(chǎn)生輻射****。

11.參考同一電源回路（例如接地）平面的所有電源（例如電壓）平面應(yīng)在同一層上布線(xiàn)。

例如，如果一個(gè)電路板使用3.3伏、3.3伏模擬電壓和1.0伏電壓；然后，通常需要最小化這些平面之間的高頻耦合。將電壓平面放在同一層將確保沒(méi)有重疊。這也將有助于促進(jìn)一個(gè)有效的布局，因?yàn)橛性雌骷惶赡茉诎迳系娜魏我粋€(gè)位置需要兩個(gè)不同的電壓。

12.給定層上任何兩個(gè)電源平面之間的間距應(yīng)至少為3 mm。

如果兩個(gè)平面在同一層上靠得太近，可能會(huì)發(fā)生顯著的高頻耦合。在不利條件下，電弧或短路也可能是一個(gè)問(wèn)題，如果飛機(jī)間隔太近。

13.在有電源和接地平面的電路板上，不得使用任何痕跡連接電源或接地。應(yīng)使用靠近部件電源或接地墊的通孔進(jìn)行連接。

連接到另一層的平面上的跡線(xiàn)會(huì)占用空間并給連接增加電感。如果高頻阻抗是一個(gè)問(wèn)題（與電源總線(xiàn)去耦連接一樣），這種電感會(huì)顯著降低連接的性能。

14.如果設(shè)計(jì)有一個(gè)以上的接地平面層，則在給定位置的任何接地連接都應(yīng)連接到該位置的所有接地層。

這里的總體指導(dǎo)原則是，如果允許的話(huà)，高頻電流將采用最有利的（最低電感）路徑。不要試圖通過(guò)只連接到特定平面來(lái)引導(dǎo)這些電流的流動(dòng)。

15.地平面上不得有縫隙或縫隙。

通常最好有一個(gè)堅(jiān)實(shí)的地面（信號(hào)返回）平面和一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于該平面的層。任何必須與接地平面直流隔離的額外電源或信號(hào)電流回路應(yīng)在專(zhuān)用于接地平面的層以外的層上布線(xiàn)。

16.板上所有與機(jī)箱、電纜或其他良好的“天線(xiàn)部件”接觸（或耦合）的電源或接地導(dǎo)體應(yīng)高頻連接在一起。

不同導(dǎo)體之間的意外電壓（名義上稱(chēng)為“地”）是輻射****和敏感度問(wèn)題的主要來(lái)源。

除了上述16條準(zhǔn)則外，董事會(huì)設(shè)計(jì)師通常會(huì)采用針對(duì)其行業(yè)的準(zhǔn)則。例如，“采用鎖相環(huán)的時(shí)鐘產(chǎn)生電路應(yīng)該有自己的獨(dú)立電源，通過(guò)一個(gè)#1234鐵氧體磁珠從電路板的電源中獲得?！边@些基于經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)方針對(duì)于知識(shí)淵博的董事會(huì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)是非常寶貴的。然而，這些同樣的指導(dǎo)原則適用于其他設(shè)計(jì)，卻不知道它們來(lái)自何處，也不知道它們?yōu)槭裁雌鹱饔?，這是浪費(fèi)精力和非功能板。這是非常重要的理解基礎(chǔ)物理背后的每一個(gè)指導(dǎo)方針被應(yīng)用。

同樣重要的是要確定潛在的噪聲源，天線(xiàn)和耦合路徑與每一個(gè)設(shè)計(jì)你評(píng)估。最好的設(shè)計(jì)不會(huì)是符合大多數(shù)準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)。最好的設(shè)計(jì)是以最低的成本和最高的可靠性滿(mǎn)足所有規(guī)范。

所以我們有一個(gè)設(shè)計(jì)指南的清單，并基本了解它們的重要性和重要性。讓我們嘗試將它們應(yīng)用到前面提出的測(cè)試問(wèn)題中，該問(wèn)題詢(xún)問(wèn)圖2中的哪個(gè)板布局是最好的。

希望您可以快速消除選項(xiàng)（b），即在返回平面的間隙上有一個(gè)跡線(xiàn)交叉的設(shè)計(jì)。方案（a）采用最短的軌跡，因此是最佳方案，前提是地平面中的間隙確實(shí)不必要。如果存在一個(gè)低頻共阻抗耦合問(wèn)題，使得間隙不可避免，那么選項(xiàng)（c）與選項(xiàng)（a）在這一條記錄道的布線(xiàn)方面幾乎一樣好。記住，微帶信號(hào)軌跡的長(zhǎng)度并不像它的整個(gè)環(huán)路面積那么重要。

哈維發(fā)明了一種設(shè)備，可以記錄從他的電話(huà)里打的電話(huà)。這個(gè)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，如圖15所示。然而，當(dāng)它連接到電話(huà)線(xiàn)上時(shí)，來(lái)自設(shè)備的輻射會(huì)干擾他的電視接收。

重新設(shè)計(jì)哈維的電路板，以減少輻射電磁干擾。您可以移動(dòng)組件和/或添加組件，但必須使用單面板。

圖15：哈維電路

我們應(yīng)該從識(shí)別潛在的源和天線(xiàn)開(kāi)始。當(dāng)然，8MHz的時(shí)鐘信號(hào)是一個(gè)潛在的來(lái)源，數(shù)據(jù)線(xiàn)也是。此設(shè)備也可能會(huì)在功率軌跡上產(chǎn)生顯著噪音。潛在的天線(xiàn)部件是三個(gè)連接器。這個(gè)板上沒(méi)有其他東西大到足以成為有效的輻射源。

當(dāng)我們開(kāi)始重新排列組件時(shí)，我們應(yīng)該試著把所有天線(xiàn)部件（即連接器）放在板的一側(cè)。我們還應(yīng)該重新調(diào)整組件的方向，以最小化軌跡的長(zhǎng)度。最后，我們應(yīng)該用地面填充電路板上的空白區(qū)域，并確保每個(gè)信號(hào)軌跡都有一個(gè)附近的返回路徑。

這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)解決方案如圖16所示。與圖16中的相同路徑相比，嘗試跟蹤圖15布局中8 MHz信號(hào)電流的路徑。該電流從振蕩器的時(shí)鐘輸出引腳流出，流入上層IC的時(shí)鐘輸入引腳，流出上層IC的接地引腳，并插入振蕩器的接地引腳。在圖16的布局中，這個(gè)循環(huán)區(qū)域要小得多。還要注意，在圖16布局中，任何兩個(gè)連接器之間的平面部分沒(méi)有高頻電流返回。

圖15中的設(shè)計(jì)不太可能滿(mǎn)足輻射排放規(guī)范，因此無(wú)法銷(xiāo)售。圖16中的設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足幾乎所有國(guó)家的輻射排放規(guī)范，而無(wú)需任何屏蔽或高成本組件。請(qǐng)注意，如果我們覺(jué)得有必要，我們可以提供安裝在電話(huà)線(xiàn)上的過(guò)濾組件的過(guò)孔。