针对 EMI 设计 PCB，第 4 部分：有关分区的更多信息

[导读]本系列关于低 EMI 印刷电路板设计的第 3 部分讨论了分区，以及为什么在电路板介电空间内防止“嘈杂”信号场交叉耦合到“安静”信号场很重要。在本文中，我将提供有关分区的更多详细信息。虽然分区的概念很简单，但真正的主板通常需要更多的思考。

本系列关于低 EMI 印刷电路板设计的第 3 部分讨论了分区，以及为什么在电路板介电空间内防止“嘈杂”信号场交叉耦合到“安静”信号场很重要。在本文中，我将提供有关分区的更多详细信息。虽然分区的概念很简单，但真正的主板通常需要更多的思考。

当涉及混合信号设计时，例如模拟和数字或无线和数字的组合，分区尤其重要。我的许多客户将无线(蜂窝、Wi-Fi、蓝牙和 GPS)与数字处理和有时模拟(例如音频放大器或视频)结合起来。对于小型移动或物联网设备，必须充分划分电路功能，以消除数字开关电流对敏感接收器的干扰。

对于使用 700 MHz 至 900 MHz 范围内的美国 LTE 频段直至 GPS 的蜂窝无线产品来说，这是一个大问题。来自数字处理器、存储器和开关模式电源 (SMPS) 电路的 EMI 可能会产生超出商用 GPS 频率 (1,575.42 MHz) 的谐波能量。当今的 SMPS IC 特别令人讨厌，因为它们的边沿速度非常快(小于 1 ns)，而且开关频率很高(通常为 1 MHz 至 3 MHz)。

高级分区

在第 3 部分中，我提供了分区概念的概念图(图 1)。通过将所有电路功能分开，我们可以避免噪声信号污染安静信号。概念很简单，但对于真正的电路板来说通常很难实现!

图 1这个分区概念图显示了单独的电路功能。

该概念图的问题在于，对于实际的电路板设计，我们需要考虑许多其他问题。例如，时钟的路由。我们可能不想在整个板上运行以太网和 USB 时钟。因此，一个重要的方面是将这些功能定位到最靠近其关联连接器的位置，如图2所示。

图2这是更实用的电路功能划分。

此外，将 SMPS 电路放置在靠近其电源的地方可能更有意义。不过，确保所有 SMPS 电路在同一层上运行并且必须有一个相邻的返回平面至关重要。我仍然会避免将 SMPS 电路放置得太靠近无线模块或电路，尤其是天线。

在图 1 和图 2 中，功率分布均由蓝线表示。实际上，真实电路板上的电源分配可能是电源层(典型值为 3.3V)和电源多边形的组合，或者为其他所需的电源轨布线更宽的走线。该配电还应具有一个相邻的返回平面，用于捕获由于“地弹”开关电流而产生的瞬态场。

使用集肤深度

另一种划分方法是使用同一返回平面的相对侧将数字电路与射频或模拟电路分开。我们可以做到这一点，因为这些高频下的集肤效应会导致数字电流和射频电流仅沿着返回平面的表面传播，并且该层足够薄，使得返回电流不会混合。这就像两个独立的平面在如此高的频率下靠近但不接触。我们可以使用公式 1来计算趋肤深度。

例如，在 10 MHz 时，铜的趋肤深度为 0.8 mil，在 100 MHz 时为 0.26 mil(注 1)。大部分信号电流将位于该第一趋肤深度中。一盎司的铜平面为 1.4 密耳，因此您可以看到在平面两侧流动的返回信号电流不太可能在中间合并在一起;从而创建了理论上的“双层”铜导电平面(图 3)。

图 3高频趋肤效应理论上可以将单个平面分成两个独立但靠近的平面。一个的返回电流不会污染另一个的返回电流。

下面是一个使用这一概念的堆叠想法，我已经看到移动设备制造商成功使用了它(图 4)。如果我们在电路板的顶部填充所有射频/无线组件，在底部填充数字、功率转换和控制(同时小心地为从顶部到底部转换的所有信号添加返回路径)，理论上，场来自一个平面顶部的能量不会污染另一平面顶部的电流。

图 4通过将底部的噪声电路与顶部的污染敏感电路分开来对 PCB 进行分区。

请注意，我们将主电源分配(通常为 3.3 V)保留在堆叠的中心。非常复杂的电路可能需要额外的层，具体取决于电路功能的数量。最近的一个例子是具有蜂窝、Wi-Fi、蓝牙、数字视频和音频功能的移动视频平台，它使用 10 层堆栈来分离功能块。当然，有很多方法可以实现这一目标。以图4为例。

分割平面

我经常被问到对分割模拟和数字平面作为将数字噪声电流与敏感模拟信号隔离的一种方法的看法。许多 A/D 和 D/A 制造商在其应用笔记中建议采用这种技术，甚至提供 PC 板布局说明(图 5)。

图 5通常建议将分割平面概念用于 A/D 或 D/A 电路。

这仍然是一个持续的争论，我的观点是，有某些条件需要这种技术。对于大多数设计，如果正确使用分区，它本质上会在噪声和敏感电路功能之间提供隔离，即使对于 A/D 和 D/A 应用也是如此。对于后一种情况，重要的是使模拟走线远离数字走线。显然，我们不想在间隙上留下任何类型的痕迹。

分离平面时的真正问题是，两者之间总会存在一些高频电压差，如果带有连接 I/O 电缆的平面接近半波长的很大一部分，则可以将其建模为偶极天线，并且导致辐射发射和各种抗扰度问题(图6)。

图 6两个独立的平面可以在它们之间感应出电压，然后像偶极天线一样辐射。

少数例外之一(还有其他一些例外，例如远程传感器)是需要对线路操作的医疗设备进行患者隔离。图 7显示了典型的接地图，其中模拟探头处理以模拟返回为参考，数字处理电路以数字返回为参考，电源以接地为参考。理想情况下，数字和电源回路应在电源连接器处连接在一起。该隔离设备可以是专用隔离耦合器 IC、光耦合器或其他几个类似设备。