一次通过EMI合规性测试——第5部分：关于精密模拟、屏蔽和热管理的进阶考量

摘要

本系列文章共五部分，从电磁场(EM)角度探讨PCB设计，旨在帮助工程师顺利通过电磁干扰(EMI)合规性测试。降低EMI的技术同样可减轻干扰，体现了通用的PCB布局理念。第1和第2部分介绍了物理原理，并通过实例说明信号层换层、共享接地平面及非理想传输线等设计决策如何成为电磁辐射源。第3和第4部分将上述原则转化为实用的布局工作流程：原理图到布局的策略、接地架构、电源系统布线及叠层的选择。最后一篇文章将讨论要求严苛的设计中出现的特殊布局要求。无论信号类型如何，每个设计都必须有效管理热量，不仅是为了保护元器件，还是为了防止热电效应产生的偏置电压影响敏感测量。综合上述考量，即可全面掌握PCB布局的规划思路与实施方法，确保一次通过EMI合规性测试。

引言

电磁干扰(EMI)合规性常被视为最后的障碍而非设计目标，往往在原理图完成、PCB布局结束甚至原型板制成后才予以考虑。本系列文章的核心观点是：合规性不应是意外结果；如果从首次原理图审查开始就充分考虑电磁场因素，PCB完全可以实现一次通过测试。第1和第2部分从物理层面论证了电磁辐射和干扰并非随机或神秘现象，而是未受约束场的可预测后果；同时证明抑制辐射的布局准则同样能提高PCB对外部场的抗扰度。第3和第4部分将基本原则转化为循序渐进的基础布局工作流程：整理原理图、基于布局意图放置元器件、选择合适的接地架构、优先布设电源系统、选择能为每个信号提供场约束的层数和叠层结构。在此框架基础上，最后一篇文章将讨论能够区分普通布局与优良布局的特殊考量因素。本文涵盖的主题（精密模拟、屏蔽与防护、热管理）适用于任何追求极致性能、连接外部环境或在严苛条件下运行的设计。正是这些细节决定了纸面上看似正确的设计能否在实验台上真正表现出色。

精密/高精度模拟电路

就精密或高精度模拟电路而言（暂且不提全差分信号链这一“捷径”），接地保真度是实现模拟精度的关键因素。低频电流总是沿能量最低路径回流至源头，因此任何以地为回路的耗电电路都会在低频下产生地电位梯度（及噪声）。例如，对于方阻为0.5mΩ/平方的1盎司铜平面：PCB上一个正方形区域内的100mA回流电流会产生0.5mΩ × 0.1A = 50µV的压降。对于精密测量而言，此偏置电压相当可观。元器件位置对此问题影响显著。减小此类误差的方法多种多样，包括优化元器件布局、使回流电流经负电源而非地平面返回、用接地树替代信号走线的接地平面、在地平面上开槽以引导地电流，或采用板级差分信号传输。

屏蔽、防护与静电

接下来要介绍的主题适用于任何手持式PCB或与外部有电缆连接的PCB。其核心在于如何在一定距离上连接两个接地系统。正是这段空间或距离提供了额外的耦合途径，使得远距离信号传输变得困难。图1展示了这一问题。

相距较远的第二个接地系统很可能与PCB接地系统电位不同。造成此现象的原因不止一个。

雷电

假设两个系统接地相连且相隔一定距离。再假设每个接地系统均与大地存在连接（直接连接或电容耦合）。最后，将大地视为构成完整回路的最终导体（见图1）。根据法拉第定律，附近的雷击可在该大型闭合回路中感应出电压，从而在地环路中产生感应电压。

设备的接地电流

所有布局不完善的设备都可能将电流耦合至机壳地。这种耦合电流的回流路径可能导致相距较远的接地点之间产生压降。这是地环路电流的第二个成因。

共模电流

在隔离系统中，与上述设备电流相关，跨越隔离栅耦合的电流可能导致相距较远的接地点之间产生压降。这是地环路电流的第三个成因。

屏蔽是解决上述所有问题的有效方案。图1展示了两个接地系统间正确屏蔽的连接方式。该方案并未消除接地系统间的电流流动，而是将电流引导至不影响模拟功能或测量的路径上。

防护是与屏蔽密切相关的一个主题。防护的目的是防止交流或直流信号耦合至敏感PCB走线或特定电缆导体。具体做法是用第二根导体包围敏感导体，由被防护网络处测得的电压的缓冲来驱动。当该导体与外部环境之间无电压差时，便不会产生耦合电流。

图1：利用仪器屏蔽和安全屏蔽在远程接地系统上测量信号以避免共模干扰的方法

PCB中的热传导

如果不讨论热传导对模拟性能的影响，本文的内容就不够完整。这方面的主题不仅限于将元器件和PCB保持在合理温度范围内。

显而易见，每个设计都需要有效的散热途径。即使是功耗最低的设计，若无法排出热能，也会因热量积聚而失效。幸运的是，为抑制干扰而布设的低阻抗电源和地平面含有大量导热铜箔。这些铜箔可将热能均匀分散至整个PCB以便辐射散热。以此方式利用铜箔还能减小PCB上的温度梯度，从而缓解精密模拟电路中更严重的问题：热电效应产生的偏置电压。注意，在模拟电路中，尤其针对敏感硅器件和精密电阻，可能需专门铺设铜平面以直接从信号线导出热能。此举必须在不损害信号/回流传输线保真度的前提下进行。同时，还应考虑工作环境或产品用途对温度的影响；根据具体应用场景，可能需考虑极宽的温度范围（涉及产品工作温度规格）。

温度梯度是下一个关注重点，因为温度梯度可能通过热电效应直接产生电压，从而影响精密模拟电路精度。任何异种金属结都可能因塞贝克效应和汤姆逊效应（本质上是热电偶）产生热电压。当导体两端温度不同时，塞贝克效应和汤姆逊效应会在导体长度方向上产生电压。由于不同金属导热速率不同，各类导体产生的电压也各异。PCB上极易发生此现象，因为元器件内部导体、焊料、连接器引脚及PCB走线均由不同金属制成。若电路对微伏级信号敏感，便会出现此类误差。消除方法是减少点热源，或设计热传导路径使其不影响敏感模拟信号通路。可通过开槽和铺设铜平面来引导和定向热能。铜平面将热能安全导离敏感区域，而槽位则阻断热能传递。

结语

着手进行大型复杂PCB的布局设计时，往往会让人感到无从下手。将这项工作拆解为若干易于执行的步骤会很有帮助：先在原理图阶段按照便于布局的原则对电路模块分组，之后将分组方式与相关的注释沿用至元器件布局和布线环节。本系列五个部分形成了一套系统化、以场为核心的PCB设计方法论。第1和第2部分介绍了物理原理：抑制EMI的本质是控制和约束电场与磁场，而减少电磁辐射干扰的措施同样能提高抗扰度并降低干扰。随后，第3部分介绍了从原理图到布局及接地架构的流程，第4部分涵盖了电源布线和叠层选择，本文则讨论了精密模拟、屏蔽及热管理等特殊考量，为应对要求严苛的PCB设计提供了完整检查清单。按顺序逐步执行上述步骤，可确保布局和叠层设计合理可靠，实现电路板一次设计成功，并且有把握顺利通过EMI合规性测试。

参考文献

Richard P. Feynman、Robert B. Leighton和Matthew Sands。费曼物理学讲义，第二卷：新千年版：主要涉及电磁学和物质。Basic Books，2011年。

Howard W. Johnson和Martin Graham，High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic，PTR Prentice Hall，1993年4月。

Ralph Morrison。Fast Circuit Boards: Energy Management，John Wiley & Sons Publications，2018年1月。