438
關(guān)于設(shè)計(jì)電磁兼容（EMC）的PC板布局。電磁兼容性，簡(jiǎn)稱EMC，是指你的電路板或系統(tǒng)能夠在射頻干擾存在的情況下正常運(yùn)行，同時(shí)確保你的系統(tǒng)不會(huì)干擾其他系統(tǒng)。以下是一些關(guān)于電磁合規(guī)性的基本定義。
在某些情況下，設(shè)計(jì)為在低頻下工作的電路可能會(huì)忽略高頻射頻信號(hào)。這通常是由于PCB設(shè)計(jì)技術(shù)不佳所導(dǎo)致的。例如，在接地平面上跨越間隙傳輸50MHz的數(shù)字通信信號(hào)可能會(huì)引起射頻發(fā)射。如果這些發(fā)射離開PCB并通過空氣傳播，則被視為輻射。
另一方面，如果輻射通過電纜傳播，則被視為傳導(dǎo)輻射。射頻輻射可能被其他電路接收并影響電路性能。受射頻輻射影響的電路可能對(duì)此問題敏感或不敏感。例如，長的PCB走線或電纜可能充當(dāng)良好的天線，并且特別容易受到干擾。電路對(duì)射頻干擾的敏感程度稱為電路的射頻敏感性或免疫性。
最后，應(yīng)該注意的是，有些電路會(huì)故意輻射，而有些輻射則是無意的。例如，手機(jī)被設(shè)計(jì)為傳輸射頻信號(hào)，因此它是一個(gè)故意輻射器。另一方面，我們之前提到的數(shù)字通信并不是為了輻射射頻噪聲。本內(nèi)容的主要目標(biāo)之一是提供方法，以最小化無意輻射，并提高電路對(duì)射頻噪聲的免疫性。
上圖中：
下圖展示了10MHz數(shù)字方波如何包含高達(dá)Ghz的頻率成分。從技術(shù)上講，我們這里考慮的波形是梯形波，因?yàn)樵摬ㄐ尉哂杏邢薜纳仙拖陆禃r(shí)間。傅里葉定理指出，任何周期性信號(hào)都可以表示為無窮多個(gè)正弦波的疊加，這被稱為傅里葉級(jí)數(shù)。梯形波的傅里葉級(jí)數(shù)如右側(cè)所示。方波的頻率為10MHz。這意味著傅里葉級(jí)數(shù)將具有一個(gè)10MHz的基波成分，然后理論上將包含直至無限高頻的頻率成分。幸運(yùn)的是，諧波成分迅速衰減，因此從實(shí)際角度來看，在某些高頻處，諧波較小。
分析傅里葉級(jí)數(shù)表明，在略高于基波的頻率處，諧波的衰減斜率為20dB/十倍（每十倍衰減20dB），然后在更高頻率處增加到40dB/十倍。衰減斜率從20dB/十倍變?yōu)?0dB/十倍的點(diǎn)被視為射頻輻射帶寬。在帶寬限制之后，從輻射角度來看，諧波被認(rèn)為是不顯著的。帶寬是通過取上升時(shí)間的倒數(shù)再乘以π的倒數(shù)來計(jì)算的。因此，方波的上升時(shí)間是決定諧波延伸頻率范圍的關(guān)鍵因素。
這里顯示的兩個(gè)方波具有相同的基波頻率，但上升時(shí)間不同。第一個(gè)示例具有快速的1ns上升時(shí)間，帶寬限制為318MHz。第二個(gè)具有較慢的5ns上升時(shí)間，其帶寬限制為64MHz。稍后，我們將看到測(cè)量結(jié)果，展示不同上升時(shí)間下的射頻輻射情況。
以下是我們?yōu)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/521854.html">印刷電路板（PC板）上的電磁波提供的速度和波長的方程。速度是通過將光速除以PC板介電材料的相對(duì)磁導(dǎo)率的平方根來確定的。FR4是最常見的介電材料類型，其相對(duì)介電常數(shù)約為4.5。這個(gè)數(shù)值的控制并不精確，可能會(huì)有較大變化。高頻電路板通常會(huì)使用控制更好的介電材料，無論如何，使用FR4介電材料并應(yīng)用該方程，計(jì)算出的速度為1.414×10^8米/秒。
電磁信號(hào)的波長是通過將速度除以應(yīng)用頻率來確定的。因此，對(duì)于10Ghz的信號(hào)，波長為14毫米。波長對(duì)于PC板設(shè)計(jì)很重要，因?yàn)樗梢灾甘咀呔€或電纜作為天線的性能如何。長度為四分之一波長的倍數(shù)的走線可以作為良好的天線。從射頻角度來看，長度短于十分之一波長的走線被視為短走線。我們將在本文中多次引用這些方程。
一個(gè)關(guān)鍵問題是，我們不希望在PCB設(shè)計(jì)中產(chǎn)生非預(yù)期輻射。當(dāng)PCB上的長走線像天線一樣工作時(shí)，就可能會(huì)發(fā)生非預(yù)期輻射。此外，在PCB走線下方保持一個(gè)連續(xù)的接地平面也很重要。如果接地平面上存在如右側(cè)所示的縫隙，這可能會(huì)引起輻射問題。我們稍后將詳細(xì)討論這一點(diǎn)，但現(xiàn)在我希望大家知道，任何能作為發(fā)射天線的結(jié)構(gòu)，同樣也能作為接收天線良好工作。天線既能作為發(fā)射器也能作為接收器同樣有效工作的原理被稱為互易性。請(qǐng)記住，當(dāng)我們討論導(dǎo)致發(fā)射的PCB設(shè)計(jì)問題時(shí)，同樣的設(shè)計(jì)也可能引發(fā)抗噪性問題。
在上面的例子中，跨接地平面的分裂處傳輸數(shù)字信號(hào)會(huì)引起輻射。將低電平模擬信號(hào)放置在分裂處上方不太可能引起輻射問題，但由于互易性，它會(huì)成為一個(gè)良好的接收器，并接收到射頻噪聲。最后，如果你想創(chuàng)建一個(gè)有意發(fā)射器，比如藍(lán)牙設(shè)備，一種創(chuàng)建天線的方法是在接地平面上跨分裂處傳輸信號(hào)。左側(cè)的圖片是一個(gè)維瓦爾第（Vivaldi）PCB天線，其中信號(hào)在頂層跨接地平面的分裂處傳輸。請(qǐng)注意這個(gè)結(jié)構(gòu)與非預(yù)期天線的相似性。我們將再次回到跨接地回路中的間隙傳輸信號(hào)的例子，因?yàn)檫@是最常見的電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)錯(cuò)誤之一。
在GND（地線）回路中的間隙上傳輸?shù)碗娖侥M信號(hào)會(huì)使其容易受到射頻輻射的干擾。
以下我們介紹一些基本的PCB布局定義。左側(cè)的圖是一個(gè)四層PCB，包括頂層和底層，以及兩個(gè)內(nèi)層。通常，內(nèi)層用于接地平面和電源平面，而外層用于信號(hào)走線。PCB上的功能順序和層數(shù)稱為層疊結(jié)構(gòu)。因此，例如，一個(gè)四層板可能有以下層疊結(jié)構(gòu)：頂層信號(hào)、內(nèi)層1接地、內(nèi)層2電源、底層信號(hào)。PCB中的各層由一種稱為介電材料的玻璃纖維絕緣材料分隔。最常用的介電材料是FR4。
高頻設(shè)計(jì)可能需要使用更昂貴的介電材料，但我們這里只討論FR4。PCB芯板是一種帶有兩層銅的剛性介電材料。四層板是通過在芯板的頂部和底部添加一層稱為預(yù)浸料的薄介電材料，然后再覆上頂層和底層銅層來制作的。這里需要重點(diǎn)注意的是，與預(yù)浸料的厚度相比，芯板的厚度通常較大。因此，頂層和底層非常接近內(nèi)層。從電磁兼容性（EMC）的角度來看，這一點(diǎn)非常重要。
除了了解基本的PCB構(gòu)造外，了解一些常見的PCB幾何結(jié)構(gòu)也很重要。微帶線是位于銅平面上方的一條單一PCB走線，而帶狀線則是置于兩個(gè)返回平面之間的一條PCB走線。走線的長度和寬度以及介電材料的厚度會(huì)影響PCB的各種特性，如阻抗。我們將在后續(xù)內(nèi)容中多次提及微帶線和帶狀線的配置。
上圖中：
? 預(yù)浸料/介電材料（Prepreg / Dielectric） – 用于核心與頂層或底層銅箔之間（或多個(gè)核心之間）的絕緣玻璃纖維材料。FR4是一種常見的介電材料。
? 芯板（Core） – 單面或雙面覆銅的剛性基材。
? 層疊結(jié)構(gòu)（Stackup） – PCB中層的順序和數(shù)量。（例如，四層層疊結(jié)構(gòu)：頂層=信號(hào)，內(nèi)層1=接地，內(nèi)層2=電源，底層=信號(hào)2）。
? 微帶線（Microstrip） – 位于接地平面或電源平面上方的信號(hào)走線。
? 帶狀線（Stripline） – 夾在兩個(gè)平面之間的信號(hào)走線。
下圖展示了一個(gè)典型的混合信號(hào)系統(tǒng)。來自橋式傳感器的低電平模擬信號(hào)被輸入到儀表放大器中，然后經(jīng)過一個(gè)高速運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器連接到一個(gè)精密電壓基準(zhǔn)和微控制器。在這個(gè)系統(tǒng)中，應(yīng)關(guān)注快速瞬變，因?yàn)樗鼈兪巧漕l輻射最可能的噪聲源。數(shù)字I/O信號(hào)、參考輸入和模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入都與開關(guān)瞬變相關(guān)。有許多技術(shù)可以用來最小化噪聲。例如，確保接地回路連續(xù)是非常重要的。合理的布局和去耦電容的選擇也有助于最小化噪聲。
從數(shù)字角度來看，最小化過沖和反射可以減少噪聲和串?dāng)_。敏感的低電平模擬信號(hào)可能不是噪聲源，但它很容易受到噪聲的影響，從而導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。對(duì)于低電平信號(hào)，最小化走線長度并使其遠(yuǎn)離瞬變可以幫助防止噪聲耦合。使用差分線和適當(dāng)?shù)臑V波也可以減少噪聲對(duì)模擬器件的影響。
Tips：一些關(guān)于PCB的EMC設(shè)計(jì)常見的問題及回答
1、以下哪個(gè)會(huì)產(chǎn)生更高頻率的射頻發(fā)射：
a)一個(gè)上升時(shí)間為1ns的10MHz方波。
b)一個(gè)上升時(shí)間為5ns的50MHz方波。
回答：正確答案是“a”，即上升時(shí)間為1ns的10MHz方波。請(qǐng)記住，方波會(huì)包含高頻成分。方波的上升時(shí)間將決定該信號(hào)在頻率上的擴(kuò)展范圍。可以使用公式1/(π*tr)來估算方波的上限頻率。2、你可能會(huì)在低電平直流模擬信號(hào)中遇到哪種電磁兼容（EMC）問題？a)它可能會(huì)成為一個(gè)非預(yù)期的發(fā)射源。
b)它可能會(huì)成為一個(gè)非預(yù)期的接收器?；卮穑赫_答案是“b”，它可能會(huì)成為一個(gè)非預(yù)期的接收器。
在電磁環(huán)境中，各種電子設(shè)備會(huì)發(fā)射和接收電磁波。低電平直流模擬信號(hào)由于其信號(hào)幅值較低，對(duì)外部電磁干擾更為敏感。當(dāng)周圍環(huán)境中存在其他電子設(shè)備發(fā)射的電磁場(chǎng)時(shí)，這些電磁場(chǎng)可能會(huì)耦合到低電平直流模擬信號(hào)電路中，對(duì)其產(chǎn)生干擾。
具體來說，如果低電平直流模擬信號(hào)電路的布局或屏蔽措施不當(dāng)，它可能會(huì)“接收”到來自其他設(shè)備的電磁干擾信號(hào)。這些干擾信號(hào)可能會(huì)疊加在原始信號(hào)上，導(dǎo)致信號(hào)失真或產(chǎn)生誤差。例如，在精密測(cè)量或控制系統(tǒng)中，低電平直流模擬信號(hào)可能用于檢測(cè)微小的物理量變化，如壓力、溫度或電流等。如果受到外部電磁干擾，這些測(cè)量或控制結(jié)果可能會(huì)變得不準(zhǔn)確。
3、為什么根據(jù)互易性原理，一個(gè)作為發(fā)射天線效果良好的結(jié)構(gòu)，同樣也會(huì)作為接收天線表現(xiàn)出良好的性能?；卮穑禾炀€是一種能量轉(zhuǎn)換和傳輸裝置，它能夠?qū)?dǎo)波能量轉(zhuǎn)化為電磁波能量，或者將電磁波能量轉(zhuǎn)化為導(dǎo)波能量。
無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們的基本功能都是實(shí)現(xiàn)這種能量的轉(zhuǎn)換。因此，一個(gè)結(jié)構(gòu)如果能夠有效地將導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)化為電磁波能量并發(fā)射出去（即作為發(fā)射天線效果良好），那么它同樣也應(yīng)該能夠有效地將電磁波能量轉(zhuǎn)化為導(dǎo)波能量并接收下來（即作為接收天線表現(xiàn)出良好的性能）。
根據(jù)互易定理，同一天線在發(fā)射和接收狀態(tài)下的主要參數(shù)是相同的，如方向圖函數(shù)、阻抗等。這些參數(shù)與天線工作的收發(fā)模式無關(guān)，是天線本身的固有屬性。因此，一個(gè)結(jié)構(gòu)如果作為發(fā)射天線具有良好的方向性和阻抗匹配特性，那么它同樣也會(huì)作為接收天線表現(xiàn)出良好的方向性和阻抗匹配特性。
