博客作者：Dario Fresu

為電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)印刷電路板（PCB）時(shí)，需要從電磁場(chǎng)和電流的角度深入理解信號(hào)傳播。這些概念之所以重要，是因?yàn)樗鼈儙椭覀冊(cè)O(shè)計(jì)出電磁場(chǎng)輻射低、對(duì)外部輻射或干擾敏感度低的 PCB。

在“掌握 PCB 設(shè)計(jì)中的 EMI 控制” 系列的第一篇文章中，我們將深入探討這些概念，并了解如何將其應(yīng)用于印刷電路板設(shè)計(jì)。

傳輸線中的信號(hào)傳播概念

思考信號(hào)在 PCB 中的傳播方式時(shí)，需要從 “水流過(guò)管道” 的類比思維，轉(zhuǎn)變?yōu)榛陔姶艌?chǎng)和傳輸線的思維。傳輸線是一種旨在以約束電磁場(chǎng)的形式將能量從一點(diǎn)傳遞到另一點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。在印刷電路板中，傳輸線至少由兩個(gè)導(dǎo)體構(gòu)成 —— 這兩個(gè)導(dǎo)體在約束電磁場(chǎng)并將其從電路中的一點(diǎn)引導(dǎo)到另一點(diǎn)方面同等重要。如果缺少其中一個(gè)導(dǎo)體，組成信號(hào)的電磁場(chǎng)將無(wú)法被約束，這些場(chǎng)的擴(kuò)散可能導(dǎo)致 EMC 測(cè)試失敗。

由此引出一個(gè)非常重要的概念：電磁信號(hào)并不包含在導(dǎo)體內(nèi)部，而是存在于兩個(gè)導(dǎo)體之間的電介質(zhì)及其周圍空間中。從 EMC 角度看，我們的目標(biāo)是最大化兩個(gè)導(dǎo)體之間的約束電磁場(chǎng)，并減少其周圍的電磁場(chǎng)。

圖 1：PCB 中數(shù)字信號(hào)傳播示意圖

在 PCB 中，用于信號(hào)傳播的兩個(gè)導(dǎo)體分別是信號(hào)電位導(dǎo)體和返回與參考電位導(dǎo)體。最直觀的例子是兩層板：頂層連接信號(hào)源，用于布設(shè)信號(hào)走線；底層是實(shí)心銅層，既連接信號(hào)源，也連接到信號(hào)電位參考（見圖 1）。我們所謂的 “信號(hào)”，實(shí)際上是這兩個(gè)導(dǎo)體之間的電磁場(chǎng) —— 這意味著信號(hào)并非存在于單一導(dǎo)體中，而是兩個(gè)導(dǎo)體之間電介質(zhì)中的電磁能量。這也表明，電介質(zhì)材料的特性會(huì)影響信號(hào)傳播，尤其是對(duì)信號(hào)（或電磁波）傳播速度的影響，即光在電介質(zhì)中的速度。兩個(gè)導(dǎo)體之間會(huì)存在信號(hào)已到達(dá)的點(diǎn)和未到達(dá)的點(diǎn)。在數(shù)字信號(hào)中，信號(hào)區(qū)域與無(wú)信號(hào)區(qū)域之間的過(guò)渡點(diǎn)稱為信號(hào)邊沿或信號(hào)波前，這是數(shù)字信號(hào)中邏輯電平從低到高的過(guò)渡點(diǎn)。

從 EMC 角度看，這一過(guò)渡點(diǎn)極為關(guān)鍵，因?yàn)樗菍?dǎo)體之間電場(chǎng)和磁場(chǎng)從低到高變化的位置。能量狀態(tài)變化越快，即信號(hào)從低邏輯電平到高邏輯電平的轉(zhuǎn)換速度越快，短時(shí)間內(nèi)壓縮的能量變化就越大。當(dāng)信號(hào)在傳輸線中從源端向目的端傳播時(shí)，信號(hào)波前或信號(hào)邊沿引導(dǎo)信號(hào)的傳播。

正向電流、返回電流與位移電流

另一個(gè)重要概念是：當(dāng)信號(hào)邊沿傳播時(shí)，由于前沿是電磁場(chǎng)的變化，這會(huì)在兩個(gè)導(dǎo)體之間的電介質(zhì)中產(chǎn)生位移電流。這一現(xiàn)象由奧利弗?亥維賽總結(jié)的麥克斯韋方程組（尤其是安培 - 麥克斯韋定律）解釋。最直觀的理解方式是想象交流電源作用于電容器時(shí)的電流流動(dòng)（見圖 2）。

圖 2：電容器（a）未加電場(chǎng)（b）施加正向電場(chǎng)（c）施加負(fù)向電場(chǎng)

實(shí)際上，電容器極板與電介質(zhì)之間不存在傳導(dǎo)電流，但電介質(zhì)中的束縛電荷會(huì)隨極板施加的電場(chǎng)發(fā)生極化（位移），這看起來(lái)就像傳導(dǎo)電流流過(guò)了電容器極板。位移電流的概念之所以重要，是因?yàn)樗忉屃诵盘?hào)傳播過(guò)程中，尤其是到達(dá)負(fù)載之前，電流如何形成。經(jīng)典電路理論指出，電流總是以回路形式流動(dòng)。那么，為何信號(hào)在到達(dá)負(fù)載之前，即尚未建立從源端到負(fù)載再返回源端的連續(xù)傳導(dǎo)電流回路時(shí)，就存在電流？這正是由于位移電流的存在，它使電流在信號(hào)傳播時(shí)仍能以回路形式流動(dòng)。如果僅有傳導(dǎo)電流而沒有位移電流，信號(hào)將無(wú)法傳播 —— 因?yàn)閮H由傳導(dǎo)電流構(gòu)成的電流回路在到達(dá)負(fù)載前無(wú)法閉合，這意味著傳導(dǎo)電流必須流過(guò)電介質(zhì)，而這從定義上是不可能的。但借助位移電流這一 “視在電流”，回路會(huì)隨信號(hào)傳播瞬間閉合。

傳導(dǎo)電流與位移電流的結(jié)合，形成了隨信號(hào)邊沿傳播的電流回路。如圖 3 所示，該電流回路可分為三部分：

圖 3：電流回路與位移電流

正向電流：沿信號(hào)方向在頂層導(dǎo)體中流向負(fù)載。

返回電流：沿信號(hào)反方向在底層導(dǎo)體中流回源端。

位移電流：通過(guò) “流經(jīng)” 導(dǎo)體之間的電介質(zhì)并跟隨信號(hào)邊沿，橋接電流的另外兩部分。

約束信號(hào)能量以控制 EMI

管理導(dǎo)體間電磁場(chǎng)的約束并控制電流路徑，對(duì)于設(shè)計(jì)不僅性能優(yōu)異、而且電磁兼容性和信號(hào)完整性出色的 PCB 至關(guān)重要（見圖 4）。

圖 4：使用 Altium Designer 3D 查看器的先進(jìn) PCB 設(shè)計(jì)示例

這種方法使我們能夠從源頭控制輻射，并避免設(shè)計(jì)允許外部干擾耦合的 PCB 結(jié)構(gòu)。

在本系列的下一篇文章中，我們將討論如何通過(guò)優(yōu)化元件布局有效降低 EMI。

要設(shè)計(jì)符合高標(biāo)準(zhǔn)的 PCB，需要能夠精確控制設(shè)計(jì)各個(gè)方面的先進(jìn)工具。Altium Designer 提供一套完整的 PCB 設(shè)計(jì)布局和仿真功能，確保設(shè)計(jì)滿足所有要求。集成的設(shè)計(jì)規(guī)則引擎和在線仿真工具可在 PCB 布線過(guò)程中驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否符合規(guī)范。

設(shè)計(jì)完成后，可使用 Altium 365平臺(tái)無(wú)縫向制造商發(fā)布文件，該平臺(tái)簡(jiǎn)化了協(xié)作和項(xiàng)目共享流程。

關(guān)于Altium

Altium有限公司隸屬于瑞薩集團(tuán)，總部位于美國(guó)加利福尼亞州圣迭戈，是一家致力于加速電子創(chuàng)新的全球軟件公司。Altium提供數(shù)字解決方案，以最大限度提高電子設(shè)計(jì)的生產(chǎn)力，連接整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的所有利益相關(guān)者，提供對(duì)元器件資源和信息的無(wú)縫訪問，并管理整個(gè)電子產(chǎn)品生命周期。Altium生態(tài)系統(tǒng)加速了各行業(yè)及各規(guī)模企業(yè)的電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)進(jìn)程。