一次通过EMI合规性测试——第3部分：从原理图到布局与接地架构

“ 本系列前两部分阐述了PCB场约束的基本物理原理，并提出了实用的布局技术，以最大限度降低电磁干扰(EMI)、减少干扰及对外部场的敏感性。
”

作者：James Niemann，现场应用工程师

摘要

本系列前两部分阐述了PCB场约束的基本物理原理，并提出了实用的布局技术，以最大限度降低电磁干扰(EMI)、减少干扰及对外部场的敏感性。本系列第三部分探讨了决定复杂电路板布局成败的两项前期关键决策：如何将原理图设计意图转化为合理的器件布局策略，如何在布线开始前选择合适的接地架构。本文论述了如何整理原理图以满足布局要求、如何利用差分信号保持接地完整性、何种情况下选择接地树而非实心接地平面。从一开始就正确做出上述基础决策，是确保电路板首次通过EMI合规性测试的可靠途径。

引言

在布局过程中才发现层数不足以正确完成设计，是工程师面临的常见挑战。对于复杂电路板，应如何进行布局规划以避免返工？本系列第三部分将探讨布线开始前必须解决的基础规划问题。

• 正确完成布局需要多大的物理面积（通常与元器件和引脚数量相关）？

• 如何利用原理图指导器件布局决策，并在布线前避免干扰？

• 何种情况下需采用接地树而非接地平面？

有一些在线工具可帮助估算PCB面积和所需的信号层数。其中多数工具会需要以下信息：

• 元器件和引脚总数是多少？

• 过孔焊盘环宽和钻孔尺寸是多少？

• 允许的最小走线宽度是多少？

• 功能电压间距的要求是什么？

此类在线工具虽然有帮助，但不够全面。此类工具大多未考虑散热要求、特定网络的载流能力、因功能或安全间距要求而增加的电压间距，也未将避免高敏感电路串扰所需的额外设计技术和间距纳入考量。简而言之，此类工具对实际应用场景一无所知。

本文将提供一套指导流程，协助设计更优质的PCB。

从原理图到布局

原理图设计始终处于首位，设计人员应透彻理解原理图内容及电路内部工作原理。这一点至关重要，怎么强调都不为过。

如前所述，电路板面积和尺寸通常取决于元器件和引脚数量，而叠层结构则由网络或传输线的数量及其功能决定。原理图（或设计方案）应明确上述约束条件，但实际情况并非总是如此，有时可用空间极为有限。在原理图中布置元器件时，应反映实际布局需求，或至少在原理图中添加相应注释以辅助布局。需要紧凑布置的节点应在原理图上标注为紧凑，需要靠近的电路应在原理图上就近放置。诸如此类的做法将有助于后续的器件布局工作。有些设计（如射频或高速数字电路）需关注物理距离（传播延迟）或其他模拟特性（例如精密模拟电路）；而在其他设计中，电路元器件可视为集总元件，物理距离不再重要。所有上述细节均应以适当方式标注在原理图上，以明确从原理图过渡到PCB设计时的关键要素。

器件布局与布线

在一定程度上，布局方案也会影响原理图设计，比如当需要克服低层数板带来的设计妥协，或进行多板设计（包括板对板连接器）时。差分信号的应用即为典型案例（图1）。此项技术常用于需长距离传输的模拟或数字信号，例如电缆传输场景。在这项技术中，正负信号同时通过电缆传输（除地线外）。各信号产生的位移电流在地线上相互抵消，从而形成几乎不受共模干扰或电磁干扰(EMI)影响的通信路径。同样的技术也可用于PCB上的短距离传输，以保持接地完整性，适用于精密或敏感模拟信号，或在PCB走线距离过长时使用。

图1：在PCB上实现差分信号的两种不同方式

图1a中，两条等长的互补信号线并行布设，共用同一接地平面。图1b中，信号线分布于不同层，由接地平面分隔。由于各信号的物理位置几乎相同，耦合的干扰信号也应一致。因此，差分信号可有效抑制耦合噪声。

有时无法完全消除地线中的电流，此时需将接地平面分割为多个区域，或改用接地树结构。是否有必要采用上述方法取决于布局的几何形状。为便于实施，可修改原理图以分离地线：保持同一网络，但使用不同的地线符号（如gnd1、gnd2、gnd3等），从而强制在布局中实现地线分离。

接地树与接地平面

正如本系列第2部分所述，自然界总是倾向于从源端获取最少能量（无论是存储还是耗散）。对于接地平面上方走线中的交流信号，信号地回流电流始终沿信号走线正下方的地平面流动。原本仅依据法拉第定律即可完成电磁场限制的目的，但信号走线周围仍设有完整的接地平面（带状线设计则有两个接地平面）。实心接地平面可提供更优的高频去耦性能（即在更高频率下提供更低阻抗的电源），且大面积铜箔能更有效地限制直流和交流电磁场。

既然如此，为何还要使用接地树结构而非接地平面？图2和图3展示了这两种方法，并附有描述有损传输线阻抗的公式。

先来看这个公式，在直流条件下(ω = 0)，线路的阻抗是(R/G)（即损耗部分）。对于电流回流路径，1/G同样代表电阻，因此电流沿最小电阻路径回流，充分利用所有可用铜箔。此现象本质上是自然界在最小化能量。在此低频情况下，I2R损耗消耗的能量远大于接地回路电感存储的能量。当ω = 0时，直流回流电流不再局限于信号走线正下方区域，铜箔中的电流流动会在接地平面上产生电压降。

图2：PCB接地树接地方法

构建接地树时，应从变压器开始，优先引导噪声最大的电流回流（图2）。随后，继续将其他接地回流电流汇入以测量地为终点的分支。此方法可将接地噪声和误差转换为易于抑制的共模信号。注：为适应元器件位置，某些分支可能较长。最后可在所有分支上铺设接地铜箔，在不影响此方法有效性的前提下降低电源阻抗。

图3：PCB接地平面方法

先将接地平面的两侧分别指定为相邻信号层的专用回流路径。若未采用接地树结构，低频下接地电流噪声源转化为共模误差还是差模误差，将完全取决于元器件布局。

而在高频下，电感限制了总电流幅值，因此减少储能成为降低源端能量提取的关键参数。

在低频下，上述电流引起的接地电压降可能导致测量误差，具体取决于元器件布局及关键测量的接地参考点位置。由此可见，接地点的电位并非处处为零。

接下来分析图3所示的接地平面布局。此方法通过控制回流电流路径，确保大电流不会产生可被检测到的电压降。

在原理图中，可对每个分支进行差异化标记，以强化PCB中的架构设计。实际上，采用接地树会显著增加布局工作量，因为仍需为所有传输线提供受控（且狭小）的场空间，以限制交流电磁场。图2中所示的所有接地铜箔填充均为解决此问题所必需。

结语

布线前的决策决定了后续设计的成败。通过调整原理图以满足布局需求，并尽早选择合适的接地架构，可为电路板按预期运行奠定坚实基础。无论设计中采用实心接地平面还是精密控制的接地树，目标始终一致：限制电磁场、控制回流电流、防止噪声耦合至敏感节点。本系列第4部分将在此基础上，探讨如何规划电源系统布线、如何确定设计所需的正确层数和叠层结构。

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。

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作者简介

James Niemann于2020年3月加入ADI公司，目前担任现场应用工程师，在美国俄亥俄州克里夫兰工作。James拥有超过35年的丰富工作经验，曾从事测试与测量设备设计工作，目前担任ADI现场应用工程师。他持有15项专利。