本系列關于低 EMI 印刷電路板設計的第 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”信號場交叉耦合到“安靜”信號場很重要。在本文中，我將提供有關分區(qū)的更多詳細信息。雖然分區(qū)的概念很簡單，但真正的主板通常需要更多的思考。

當涉及混合信號設計時，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、藍牙和 GPS)與數(shù)字處理和有時模擬(例如音頻放大器或視頻)結合起來。對于小型移動或物聯(lián)網(wǎng)設備，必須充分劃分電路功能，以消除數(shù)字開關電流對敏感接收器的干擾。

對于使用 700 MHz 至 900 MHz 范圍內(nèi)的美國 LTE 頻段直至 GPS 的蜂窩無線產(chǎn)品來說，這是一個大問題。來自數(shù)字處理器、存儲器和開關模式電源 (SMPS) 電路的 EMI 可能會產(chǎn)生超出商用 GPS 頻率 (1,575.42 MHz) 的諧波能量。當今的 SMPS IC 特別令人討厭，因為它們的邊沿速度非?？?小于 1 ns)，而且開關頻率很高(通常為 1 MHz 至 3 MHz)。

高級分區(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污染安靜信號。概念很簡單，但對于真正的電路板來說通常很難實現(xiàn)!

圖 1這個分區(qū)概念圖顯示了單獨的電路功能。

該概念圖的問題在于，對于實際的電路板設計，我們需要考慮許多其他問題。例如，時鐘的路由。我們可能不想在整個板上運行以太網(wǎng)和 USB 時鐘。因此，一個重要的方面是將這些功能定位到最靠近其關聯(lián)連接器的位置，如圖2所示。

圖2這是更實用的電路功能劃分。

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 電路在同一層上運行并且必須有一個相鄰的返回平面至關重要。我仍然會避免將 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，功率分布均由藍線表示。實際上，真實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。該配電還應具有一個相鄰的返回平面，用于捕獲由于“地彈”開關電流而產(chǎn)生的瞬態(tài)場。

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側將數(shù)字電路與射頻或模擬電路分開。我們可以做到這一點，因為這些高頻下的集膚效應會導致數(shù)字電流和射頻電流僅沿著返回平面的表面?zhèn)鞑ィ⑶以搶幼銐虮?，使得返回電流不會混合。這就像兩個獨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來計算趨膚深度。

例如，在 10 MHz 時，銅的趨膚深度為 0.8 mil，在 100 MHz 時為 0.26 mil(注 1)。大部分信號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流動的返回信號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”銅導電平面(圖 3)。

圖 3高頻趨膚效應理論上可以將單個平面分成兩個獨立但靠近的平面。一個的返回電流不會污染另一個的返回電流。

下面是一個使用這一概念的堆疊想法，我已經(jīng)看到移動設備制造商成功使用了它(圖 4)。如果我們在電路板的頂部填充所有射頻/無線組件，在底部填充數(shù)字、功率轉換和控制(同時小心地為從頂部到底部轉換的所有信號添加返回路徑)，理論上，場來自一個平面頂部的能量不會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 PCB 進行分區(qū)。

請注意，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。最近的一個例子是具有蜂窩、Wi-Fi、藍牙、數(shù)字視頻和音頻功能的移動視頻平臺，它使用 10 層堆棧來分離功能塊。當然，有很多方法可以實現(xiàn)這一目標。以圖4為例。

分割平面

我經(jīng)常被問到對分割模擬和數(shù)字平面作為將數(shù)字噪聲電流與敏感模擬信號隔離的一種方法的看法。許多 A/D 和 D/A 制造商在其應用筆記中建議采用這種技術，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。

這仍然是一個持續(xù)的爭論，我的觀點是，有某些條件需要這種技術。對于大多數(shù)設計，如果正確使用分區(qū)，它本質上會在噪聲和敏感電路功能之間提供隔離，即使對于 A/D 和 D/A 應用也是如此。對于后一種情況，重要的是使模擬走線遠離數(shù)字走線。顯然，我們不想在間隙上留下任何類型的痕跡。

分離平面時的真正問題是，兩者之間總會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的很大一部分，則可以將其建模為偶極天線，并且導致輻射發(fā)射和各種抗擾度問題(圖6)。

圖 6兩個獨立的平面可以在它們之間感應出電壓，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，例如遠程傳感器)是需要對線路操作的醫(yī)療設備進行患者隔離。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)字和電源回路應在電源連接器處連接在一起。該隔離設備可以是專用隔離耦合器 IC、光耦合器或其他幾個類似設備。

圖 7這是患者連接監(jiān)護儀的典型接地配置。

實際上，為復雜電路設計真正的 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的路由之間始終需要權衡。然而，如果遵循基本的設計規(guī)則;那是：

· 為信號層和配電層保留相鄰的返回平面

· 確保在層間轉換時存在返回路徑

· 盡可能劃分不同的電路功能

然后，您將有更大的機會使噪聲信號遠離安靜信號，并且輻射發(fā)射、輻射抗擾度、ESD 和 EFT 合規(guī)性的風險也會大大降低。

我希望這個由四部分組成的低 EMI 設計系列對您有所幫助。目前還沒有太多的講師教授這個概念，而且許多設計文獻和“經(jīng)驗法則”根本就是錯誤的。

首先請記住，高頻數(shù)字信號在介電空間內(nèi)傳播，而不是通過銅。一旦意識到這一點，您就可以避免與低電平模擬或射頻信號共享相同電介質空間的噪聲數(shù)字信號的問題，并且“第一次就做對”的機會就會大得多!