針對(duì) EMI 設(shè)計(jì) PCB，第 4 部分：有關(guān)分區(qū)的更多信息

本系列關(guān)于低 EMI 印刷電路板設(shè)計(jì)的第 3 部分討論了分區(qū)，以及為什么在電路板介電空間內(nèi)防止“嘈雜”信號(hào)場(chǎng)交叉耦合到“安靜”信號(hào)場(chǎng)很重要。在本文中，我將提供有關(guān)分區(qū)的更多詳細(xì)信息。雖然分區(qū)的概念很簡(jiǎn)單，但真正的主板通常需要更多的思考。

當(dāng)涉及混合信號(hào)設(shè)計(jì)時(shí)，例如模擬和數(shù)字或無線和數(shù)字的組合，分區(qū)尤其重要。我的許多客戶將無線(蜂窩、Wi-Fi、藍(lán)牙和 GPS)與數(shù)字處理和有時(shí)模擬(例如音頻放大器或視頻)結(jié)合起來。對(duì)于小型移動(dòng)或物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，必須充分劃分電路功能，以消除數(shù)字開關(guān)電流對(duì)敏感接收器的干擾。

對(duì)于使用 700 MHz 至 900 MHz 范圍內(nèi)的美國(guó) LTE 頻段直至 GPS 的蜂窩無線產(chǎn)品來說，這是一個(gè)大問題。來自數(shù)字處理器、存儲(chǔ)器和開關(guān)模式電源 (SMPS) 電路的 EMI 可能會(huì)產(chǎn)生超出商用 GPS 頻率 (1,575.42 MHz) 的諧波能量。當(dāng)今的 SMPS IC 特別令人討厭，因?yàn)樗鼈兊倪呇厮俣确浅？?小于 1 ns)，而且開關(guān)頻率很高(通常為 1 MHz 至 3 MHz)。

高級(jí)分區(qū)

在第 3 部分中，我提供了分區(qū)概念的概念圖(圖 1)。通過將所有電路功能分開，我們可以避免噪聲信號(hào)污染安靜信號(hào)。概念很簡(jiǎn)單，但對(duì)于真正的電路板來說通常很難實(shí)現(xiàn)!

圖 1這個(gè)分區(qū)概念圖顯示了單獨(dú)的電路功能。

該概念圖的問題在于，對(duì)于實(shí)際的電路板設(shè)計(jì)，我們需要考慮許多其他問題。例如，時(shí)鐘的路由。我們可能不想在整個(gè)板上運(yùn)行以太網(wǎng)和 USB 時(shí)鐘。因此，一個(gè)重要的方面是將這些功能定位到最靠近其關(guān)聯(lián)連接器的位置，如圖2所示。

圖2這是更實(shí)用的電路功能劃分。

此外，將 SMPS 電路放置在靠近其電源的地方可能更有意義。不過，確保所有 SMPS 電路在同一層上運(yùn)行并且必須有一個(gè)相鄰的返回平面至關(guān)重要。我仍然會(huì)避免將 SMPS 電路放置得太靠近無線模塊或電路，尤其是天線。

在圖 1 和圖 2 中，功率分布均由藍(lán)線表示。實(shí)際上，真實(shí)電路板上的電源分配可能是電源層(典型值為 3.3V)和電源多邊形的組合，或者為其他所需的電源軌布線更寬的走線。該配電還應(yīng)具有一個(gè)相鄰的返回平面，用于捕獲由于“地彈”開關(guān)電流而產(chǎn)生的瞬態(tài)場(chǎng)。

使用集膚深度

另一種劃分方法是使用同一返回平面的相對(duì)側(cè)將數(shù)字電路與射頻或模擬電路分開。我們可以做到這一點(diǎn)，因?yàn)檫@些高頻下的集膚效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致數(shù)字電流和射頻電流僅沿著返回平面的表面?zhèn)鞑?，并且該層足夠薄，使得返回電流不?huì)混合。這就像兩個(gè)獨(dú)立的平面在如此高的頻率下靠近但不接觸。我們可以使用公式 1來計(jì)算趨膚深度。

例如，在 10 MHz 時(shí)，銅的趨膚深度為 0.8 mil，在 100 MHz 時(shí)為 0.26 mil(注 1)。大部分信號(hào)電流將位于該第一趨膚深度中。一盎司的銅平面為 1.4 密耳，因此您可以看到在平面兩側(cè)流動(dòng)的返回信號(hào)電流不太可能在中間合并在一起;從而創(chuàng)建了理論上的“雙層”銅導(dǎo)電平面(圖 3)。

圖 3高頻趨膚效應(yīng)理論上可以將單個(gè)平面分成兩個(gè)獨(dú)立但靠近的平面。一個(gè)的返回電流不會(huì)污染另一個(gè)的返回電流。

下面是一個(gè)使用這一概念的堆疊想法，我已經(jīng)看到移動(dòng)設(shè)備制造商成功使用了它(圖 4)。如果我們?cè)陔娐钒宓捻敳刻畛渌猩漕l/無線組件，在底部填充數(shù)字、功率轉(zhuǎn)換和控制(同時(shí)小心地為從頂部到底部轉(zhuǎn)換的所有信號(hào)添加返回路徑)，理論上，場(chǎng)來自一個(gè)平面頂部的能量不會(huì)污染另一平面頂部的電流。

圖 4通過將底部的噪聲電路與頂部的污染敏感電路分開來對(duì) PCB 進(jìn)行分區(qū)。

請(qǐng)注意，我們將主電源分配(通常為 3.3 V)保留在堆疊的中心。非常復(fù)雜的電路可能需要額外的層，具體取決于電路功能的數(shù)量。最近的一個(gè)例子是具有蜂窩、Wi-Fi、藍(lán)牙、數(shù)字視頻和音頻功能的移動(dòng)視頻平臺(tái)，它使用 10 層堆棧來分離功能塊。當(dāng)然，有很多方法可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。以圖4為例。

分割平面

我經(jīng)常被問到對(duì)分割模擬和數(shù)字平面作為將數(shù)字噪聲電流與敏感模擬信號(hào)隔離的一種方法的看法。許多 A/D 和 D/A 制造商在其應(yīng)用筆記中建議采用這種技術(shù)，甚至提供 PC 板布局說明(圖 5)。

圖 5通常建議將分割平面概念用于 A/D 或 D/A 電路。

這仍然是一個(gè)持續(xù)的爭(zhēng)論，我的觀點(diǎn)是，有某些條件需要這種技術(shù)。對(duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)，如果正確使用分區(qū)，它本質(zhì)上會(huì)在噪聲和敏感電路功能之間提供隔離，即使對(duì)于 A/D 和 D/A 應(yīng)用也是如此。對(duì)于后一種情況，重要的是使模擬走線遠(yuǎn)離數(shù)字走線。顯然，我們不想在間隙上留下任何類型的痕跡。

分離平面時(shí)的真正問題是，兩者之間總會(huì)存在一些高頻電壓差，如果帶有連接 I/O 電纜的平面接近半波長(zhǎng)的很大一部分，則可以將其建模為偶極天線，并且導(dǎo)致輻射發(fā)射和各種抗擾度問題(圖6)。

圖 6兩個(gè)獨(dú)立的平面可以在它們之間感應(yīng)出電壓，然后像偶極天線一樣輻射。

少數(shù)例外之一(還有其他一些例外，例如遠(yuǎn)程傳感器)是需要對(duì)線路操作的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行患者隔離。圖 7顯示了典型的接地圖，其中模擬探頭處理以模擬返回為參考，數(shù)字處理電路以數(shù)字返回為參考，電源以接地為參考。理想情況下，數(shù)字和電源回路應(yīng)在電源連接器處連接在一起。該隔離設(shè)備可以是專用隔離耦合器 IC、光耦合器或其他幾個(gè)類似設(shè)備。

圖 7這是患者連接監(jiān)護(hù)儀的典型接地配置。

實(shí)際上，為復(fù)雜電路設(shè)計(jì)真正的 PC 板并不適合膽小的人。電路劃分、堆疊決策以及電源和高頻信號(hào)的路由之間始終需要權(quán)衡。然而，如果遵循基本的設(shè)計(jì)規(guī)則;那是：

· 為信號(hào)層和配電層保留相鄰的返回平面

· 確保在層間轉(zhuǎn)換時(shí)存在返回路徑

· 盡可能劃分不同的電路功能

然后，您將有更大的機(jī)會(huì)使噪聲信號(hào)遠(yuǎn)離安靜信號(hào)，并且輻射發(fā)射、輻射抗擾度、ESD 和 EFT 合規(guī)性的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)大大降低。

我希望這個(gè)由四部分組成的低 EMI 設(shè)計(jì)系列對(duì)您有所幫助。目前還沒有太多的講師教授這個(gè)概念，而且許多設(shè)計(jì)文獻(xiàn)和“經(jīng)驗(yàn)法則”根本就是錯(cuò)誤的。

首先請(qǐng)記住，高頻數(shù)字信號(hào)在介電空間內(nèi)傳播，而不是通過銅。一旦意識(shí)到這一點(diǎn)，您就可以避免與低電平模擬或射頻信號(hào)共享相同電介質(zhì)空間的噪聲數(shù)字信號(hào)的問題，并且“第一次就做對(duì)”的機(jī)會(huì)就會(huì)大得多!