【導讀】本系列文章共五部分，從電磁場（EM）基本物理原理出發，系統闡述如何讓PCB一次通過EMI合規性測試。前兩部分揭示了輻射與干擾的物理根源——它們并非隨機現象，而是未受約束場的可預測后果；第3和第4部分則將原則轉化為具體布局工作流程：從原理圖整理、元器件放置、接地架構選擇到疊層設計。作為收官之作，本文聚焦特殊布局要求——精密模擬電路的接地保真度、遠距離信號傳輸中的屏蔽與防護策略，以及常被忽視卻至關重要的熱管理。
引言
電磁干擾(EMI)合規性常被視為最后的障礙而非設計目標，往往在原理圖完成、PCB布局結束甚至原型板制成后才予以考慮。本系列文章的核心觀點是：合規性不應是意外結果；如果從首次原理圖審查開始就充分考慮電磁場因素，PCB完全可以實現一次通過測試。第1和第2部分從物理層面論證了電磁輻射和干擾并非隨機或神秘現象，而是未受約束場的可預測后果；同時證明抑制輻射的布局準則同樣能提高PCB對外部場的抗擾度。第3和第4部分將基本原則轉化為循序漸進的基礎布局工作流程：整理原理圖、基于布局意圖放置元器件、選擇合適的接地架構、優先布設電源系統、選擇能為每個信號提供場約束的層數和疊層結構。在此框架基礎上，最后一篇文章將討論能夠區分普通布局與優良布局的特殊考量因素。
精密/高精度模擬電路
就精密或高精度模擬電路而言（暫且不提全差分信號鏈這一“捷徑”），接地保真度是實現模擬精度的關鍵因素。低頻電流總是沿能量最低路徑回流至源頭，因此任何以地為回路的耗電電路都會在低頻下產生地電位梯度（及噪聲）。例如，對于方阻為0.5mΩ/平方的1盎司銅平面：PCB上一個正方形區域內的100mA回流電流會產生0.5mΩ × 0.1A = 50μV的壓降。對于精密測量而言，此偏置電壓相當可觀。元器件位置對此問題影響顯著。減小此類誤差的方法多種多樣，包括優化元器件布局、使回流電流經負電源而非地平面返回、用接地樹替代信號走線的接地平面、在地平面上開槽以引導地電流，或采用板級差分信號傳輸。
屏蔽、防護與靜電
接下來要介紹的主題適用于任何手持式PCB或與外部有電纜連接的PCB。其核心在于如何在一定距離上連接兩個接地系統。正是這段空間或距離提供了額外的耦合途徑，使得遠距離信號傳輸變得困難。圖1展示了這一問題。
相距較遠的第二個接地系統很可能與PCB接地系統電位不同。造成此現象的原因不止一個。
雷電
假設兩個系統接地相連且相隔一定距離。再假設每個接地系統均與大地存在連接（直接連接或電容耦合）。最后，將大地視為構成完整回路的最終導體（見圖1）。根據法拉第定律，附近的雷擊可在該大型閉合回路中感應出電壓，從而在地環路中產生感應電壓。
設備的接地電流
所有布局不完善的設備都可能將電流耦合至機殼地。這種耦合電流的回流路徑可能導致相距較遠的接地點之間產生壓降。這是地環路電流的第二個成因。
共模電流
在隔離系統中，與上述設備電流相關，跨越隔離柵耦合的電流可能導致相距較遠的接地點之間產生壓降。這是地環路電流的第三個成因。
屏蔽是解決上述所有問題的有效方案。圖1展示了兩個接地系統間正確屏蔽的連接方式。該方案并未消除接地系統間的電流流動，而是將電流引導至不影響模擬功能或測量的路徑上。
防護是與屏蔽密切相關的一個主題。防護的目的是防止交流或直流信號耦合至敏感PCB走線或特定電纜導體。具體做法是用第二根導體包圍敏感導體，由被防護網絡處測得的電壓的緩沖來驅動。當該導體與外部環境之間無電壓差時，便不會產生耦合電流。
圖1：利用儀器屏蔽和安全屏蔽在遠程接地系統上測量信號以避免共模干擾的方法
PCB中的熱傳導
如果不討論熱傳導對模擬性能的影響，本文的內容就不夠完整。這方面的主題不僅限于將元器件和PCB保持在合理溫度范圍內。
顯而易見，每個設計都需要有效的散熱途徑。即使是功耗最低的設計，若無法排出熱能，也會因熱量積聚而失效。幸運的是，為抑制干擾而布設的低阻抗電源和地平面含有大量導熱銅箔。這些銅箔可將熱能均勻分散至整個PCB以便輻射散熱。以此方式利用銅箔還能減小PCB上的溫度梯度，從而緩解精密模擬電路中更嚴重的問題：熱電效應產生的偏置電壓。注意，在模擬電路中，尤其針對敏感硅器件和精密電阻，可能需專門鋪設銅平面以直接從信號線導出熱能。此舉必須在不損害信號/回流傳輸線保真度的前提下進行。同時，還應考慮工作環境或產品用途對溫度的影響；根據具體應用場景，可能需考慮極寬的溫度范圍（涉及產品工作溫度規格）。
溫度梯度是下一個關注重點，因為溫度梯度可能通過熱電效應直接產生電壓，從而影響精密模擬電路精度。任何異種金屬結都可能因塞貝克效應和湯姆遜效應（本質上是熱電偶）產生熱電壓。當導體兩端溫度不同時，塞貝克效應和湯姆遜效應會在導體長度方向上產生電壓。由于不同金屬導熱速率不同，各類導體產生的電壓也各異。PCB上極易發生此現象，因為元器件內部導體、焊料、連接器引腳及PCB走線均由不同金屬制成。若電路對微伏級信號敏感，便會出現此類誤差。消除方法是減少點熱源，或設計熱傳導路徑使其不影響敏感模擬信號通路。可通過開槽和鋪設銅平面來引導和定向熱能。銅平面將熱能安全導離敏感區域，而槽位則阻斷熱能傳遞。
結語
著手進行大型復雜PCB的布局設計時，往往會讓人感到無從下手。將這項工作拆解為若干易于執行的步驟會很有幫助：先在原理圖階段按照便于布局的原則對電路模塊分組，之后將分組方式與相關的注釋沿用至元器件布局和布線環節。本系列五個部分形成了一套系統化、以場為核心的PCB設計方法論。第1和第2部分介紹了物理原理：抑制EMI的本質是控制和約束電場與磁場，而減少電磁輻射干擾的措施同樣能提高抗擾度并降低干擾。隨后，第3部分介紹了從原理圖到布局及接地架構的流程，第4部分涵蓋了電源布線和疊層選擇，本文則討論了精密模擬、屏蔽及熱管理等特殊考量，為應對要求嚴苛的PCB設計提供了完整檢查清單。按順序逐步執行上述步驟，可確保布局和疊層設計合理可靠，實現電路板一次設計成功，并且有把握順利通過EMI合規性測試。
參考文獻
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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。
作者簡介
James Niemann于2020年3月加入ADI公司，目前擔任現場應用工程師，在美國俄亥俄州克里夫蘭工作。James擁有超過35年的豐富工作經驗，曾從事測試與測量設備設計工作，目前擔任ADI現場應用工程師。他持有15項專利。
