越来越多的制造商正在将无线技术添加到新的或现有的产品中。这些产品通常包括移动、家用、工业、科学和医疗设备。这种向“一切无线”的转变正在如火如荼地进行，随之而来的是EMI的问题。也就是说，产品本身产生的EMI会干扰敏感的车载蜂窝、GPS/GNSS和Wi-Fi/蓝牙接收器。这就是所谓的“平台”或自我干扰，这已经成为制造商的一个大问题。
无线自干扰
当今大多数基于数字的产品都会产生大量的板载射频谐波“噪声”(EMI)。虽然这种数字切换通常不会干扰数字电路本身，但来自数字时钟、高速数据总线，特别是车载DC-DC开关模式电源的相同谐波能量很容易在600至850 MHz的手机频段，甚至高达1575 MHz的GPS/GNSS频段产生谐波干扰，导致接收器“desense”(接收器灵敏度降低)。
为了使用各种移动电话服务，制造商必须根据CTIA(蜂窝电话工业协会)标准通过非常严格的接收机灵敏度和发射机功率测试。这种机载数字EMI和由此产生的接收机密度通常会使产品的推出延迟数周或数月。
宽带和窄带干扰
可以干扰敏感接收机的两种常见的高频谐波信号是窄带和宽带。图1显示了从1 MHz到1500 MHz的差异。通常，DC-DC转换器或数据/地址总线噪声将出现为一个非常宽的信号，具有几个谐振峰(紫色痕迹)，而晶体振荡器或高速时钟将出现为一系列狭窄的尖峰(水色痕迹)。当将频谱分析仪置于“最大保持”模式时，宽带源可以更容易地观察到。除非产品设计符合EMI标准，否则这两种类型的信号都可以辐射或将高频能量很好地传导到移动电话、GPS或其他无线频段。(请参阅参考文献1，了解更多关于在电路板级别上表征自产生EMI的信息。)
图1高频谐波有两种常见类型;宽带(紫色痕迹)和窄带(水色痕迹)。在本例中，我们将从1到1500 MHz来大致描述DC-DC转换器(紫色迹线)和以太网时钟信号(水色迹线)的光谱发射轮廓。环境噪声底面由底部的黄色痕迹表示。这两种EMI来源都可能对美国600至850 MHz的蜂窝和GPS波段造成干扰(由白色圆圈所包围的区域表示)。在蜂窝波段内，以太网谐波的峰值超过环境噪声水平40分贝以上。
平台(或自行生成)EMI的来源
通常有两个主要的重点领域，车载能源可能耦合到接收机天线或无线模块，并导致接收机灵敏度损失(见图2):
图2一个典型的物联网产品，显示两个主要的耦合路径，辐射和传导。
1.车载能源，如DC-DC转换器，地址和数据总线，以及其他快速边缘数字信号，可以直接将EMI传导或耦合到无线模块或其天线。
2.附加的I/O或电源线作为“辐射结构”(天线)，将这种自行产生的射频能量直接耦合到板载或附加的无线天线中。
通常，电磁(EM)场直接在电路板内耦合，这是由于不良的堆叠、不良的功能电路划分(射频、数字、功率转换)或不良的信号/功率路由。杂散电磁场也很可能只是直接耦合到天线中。也可能是两者的结合。
为低EMI设计PC板
如果你正在开发物联网产品，糟糕的PC板设计可能会导致无休止的延迟，因为板上的能源会破坏敏感的接收电路，导致蜂窝合规故障。GPS和Wi-Fi接收器也会失去灵敏度。
有许多因素导致PC板上的不良EMI设计。这些包括:
1.混合噪声电路，如功率和电机转换与数字和敏感模拟电路
2.时钟驱动器离电路板边缘太近或靠近敏感电路
3.糟糕的跟踪路由，导致串扰
4.运行时钟(或高速)在返回平面的间隙/槽上跟踪
5.最重要的是，错误的图层堆叠
我已经在返回平面的间隙中解决了交叉时钟跟踪(参考文献2和3)。然而，修复关于层堆叠的最后一项通常会纠正无数的问题，包括列表上的许多其他项目。
我们大多数电气工程师都被错误地教导直流和交流电流如何在集中或分布式(传输线)电路中工作。在了解信号如何在PC板中传播之前，我们必须先了解一些物理知识。
我们可能都被教导(或至少被暗示)“电流”是电子在铜中的流动。虽然这对于纯直流电路是正确的，但一旦我们开始考虑交流(至少高于10至50千赫)，信号能量实际上会在铜迹线和返回平面之间的电介质空间中以电磁波的形式传播。我们现在需要把铜线看作是“波导”，而不是携带电子电流的电路。这使得为电磁波设计一个不间断的返回路径变得至关重要，否则，我们将在各种电路功能之间得到场泄漏(串扰或耦合)。
信号传播物理学“，
首先，考虑电容器是如何允许电子流动的。毕竟，去耦电容器不就是这样工作的吗?参考图3，如果我们将电池应用到电容器上，任何应用到顶板上的正电荷将排斥底板上的正电荷，留下负电荷。如果我们在电容器上使用交流电源，看起来电流是通过电介质流动的——这似乎是不可能的。詹姆斯·麦克斯韦(James Maxwell)称之为“位移电流”，正电荷只是取代对面板上的正电荷，留下负电荷，反之亦然。位移电流定义为dE/dt (e场随时间变化)。
图3通过电容的位移电流的概念。
接下来要意识到的是，由于铜分子之间的原子键非常紧密，电子在铜中移动的速度不像我们教的那样接近光速，而是大约1厘米/秒(文献4和5)。当然有自由电子云，但它们在分子之间移动缓慢。这被称为传导电流，是我们用安培计测量的电流。传导电流与B场的切向分量有关，即旋度B = J。
然而，铜分子中的一个电子对其邻居的影响(以及传输线上的影响)以介电材料中电磁场的速度传播。换句话说，在微带的一端震动一个电子，它就会震动下一个电子，下一个电子又震动下一个电子，以此类推，直到它震动最后一个电子。这种晃动在e场中被称为扭结，可以想象成牛顿的摇篮玩具，一个机械类比，第一个球被举起并释放，然后击中下一个球，等等，最终从最后一个球上弹开。
数字信号如何传播
考虑一个波前以半光速移动的数字信号(大约典型的6英寸)。在FR4电介质中/ns)沿一个简单微带在相邻的返回平面上，如图4所示。
图4数字信号(电磁波)在FR-4介质中以约半光速(~ 6in /ns)穿过微带和返回平面之间的介电空间。
下一个实现是数字信号的电磁场在电介质空间中传播，而不是铜!铜只是“引导”电磁波(参考文献5和6)。
当信号(电磁波)首次应用于微带和返回平面之间时，它开始沿着传输线传播。有传导电流和位移电流的组合(通过电介质)。
所有令人兴奋的“EMI东西”都发生在电磁波传播时的波前。在任何时刻，初始波阵面后面的电场在该时刻的外加电压下都是稳定的，初始波阵面前面的电场为零。信号的快速上升或下降时间包含了所有的谐波能量，这就是产生EMI的原因。
如果负载阻抗等于传输线的特性阻抗，则不会有电磁波反射回源。然而，如果不匹配，则会有反射电磁场传播回源。在现实中，大多数数字信号将有多个反射同时通过传输线来回移动。这些传播波的过渡区(上升时间或下降时间)将产生EMI(文献5)。
输电线路规则
现在意识到数字信号是如何在电路板中移动的，在PC板设计时，有两个非常重要的原则:
1.PC板上的每个信号和电源迹线(或平面)都应被视为传输线。
2.数字信号在传输线中的传播实际上是电磁场在铜迹线和返回平面之间的空间中的运动。
为了建造传输线，我们必须有两块相邻的金属来捕获或遏制电场。例如，这可以是相邻回平面上的微带，与回平面相邻的带线，或与回平面相邻的功率迹线(或平面)。在电源和返回平面之间定位多个信号层将导致快速信号的实际EMI问题，以及耦合电源总线暂态信号。遵守这两个规则将决定层的堆叠!
换句话说，每个信号或电源迹(路由电源)必须有一个相邻的返回平面，所有电源平面都应该有一个相邻的返回平面。多个回平面应通过一组拼接孔连接在一起(文献7)。
传导电流返回路径中的间断(如间隙或槽)可能会导致一些信号场能量泄漏到电介质空间，导致从电路板和通过通径耦合交叉耦合到其他电路的边缘辐射。如果没有相邻的拼接通道或拼接电容(用于连接回接平面到电源平面)，则当我们将信号通过多个接地参考平面或电源平面传递时也会发生这种情况。
低电磁干扰的堆叠设计
叠层设计是设计低电磁干扰板的关键。
典型的四层设计:常见的一种四层堆叠如图5所示。在20世纪90年代到21世纪初，这可能工作得很好，但随着今天更快和混合信号技术的发展，时钟频率超过50 MHz，这可能会导致EMI灾难。这有两个问题:底层信号层参考电源平面，电源和地面返回平面相隔太远。
图5这种非常常见，但糟糕的四层板堆叠是EMI灾难的配方!
除了少数例外(例如，一些DDR RAM使用Vtt作为返回平面)，信号使用地面作为返回路径。使用电源平面作为返回路径是非常危险的，因为当信号走线改变层时，返回电流可能必须在电源和地平面之间流动。这些电流必须流过去耦电容器，其阻抗低，充其量只能低于约50 MHz。
以下是两种PC板堆叠的方法，可以保持良好的返回路径控制。
一个良好的四层板堆叠改善EMI显示在图6中。我们使用路由或灌注电源，而不是电源平面，以及第2层和第3层的信号。因此，每个信号/功率迹线都与返回平面相邻。此外，只要两个返回平面用一组拼接过孔连接在一起，就很容易在两层之间路由信号。如果你沿着周长开一排缝孔(比如说，每隔5毫米)，你就会形成一个法拉第笼。需要注意的是，顶部地面返回平面(组件侧)通常需要许多孔，以便清除组件引线。确保这些孔之间包括铜，以避免产生长间隙。
图6改善电磁干扰的良好四层板堆叠，外层为回流平面。
另一方面，如果您更愿意访问信号和路由/倾倒功率走线，您可以简单地反转层对，这样两个返回平面层位于中间，两个信号层位于顶部和底部，具有路由电源和足够的去耦帽，而不是一个电源平面(参见图7)。
图7改善电磁干扰的良好四层板堆叠，内层为返回平面。
对于这两种四层设计，您需要运行一组缝合孔，连接两个返回平面，最大间隔约5至10毫米。这是10 GHz范围内频率成分的四分之一波长间隔。
典型的六层设计:我经常看到的另一种堆叠是这种六层设计(见图8)。同样，这有两个问题:底部的两个信号层参考了电源平面，电源和地面返回平面不相邻，而且距离太远。
图8一种非常常见但EMI较差的六层堆叠设计。信号层4和6参考功率，而返回和功率平面不相邻，中间有两个信号层。这将耦合这两个信号层上的暂态功率。
再一次，我们有参考功率的信号，所以当信号改变返回平面时，有一个返回路径不连续。在四层设计中(图5)，功率面和返回面相隔太远，现在被两个信号层隔开。任何电力网络瞬态将在电介质层内交叉耦合，沿途耦合到第3层和第4层上的任何信号痕迹。
上述建议的四层和六层板设计(图6、图7和图9)都遵循两个基本规则，以保持良好的返回路径设计。所有多个回程平面应缝合在一起5至10毫米的通孔阵列。
图9改进的六层板堆叠设计。只要满足这两个基本的设计规则，还有其他可以工作的迭代。
当然，在信号和返回平面或电源和返回平面之间创建适当的传输线对还有更多的迭代。里克哈特利提供了一个优秀的为期两天的研讨会在PC板和堆叠设计(参考文献8)。
双层板怎么样?简单，只需在第1层运行信号和路由电源，并在第2层使用返回平面。当信号需要在迹线下交叉时，可以在底层地平面中布线短的“交叉下”路径。这实际上是一层半的路由。
分区和路由
本节介绍电路分段的划分、高速走线的路由以及其他一些有助于减少EMI的布局实践。除了适当的层堆叠，在电路板上布局电路时，下一个最重要的考虑因素是划分电路功能，例如数字、模拟、功率转换、RF、电机控制或其他大功率电路。
首先，我们必须理解和可视化回流电流是如何流动的，以及电磁场是如何与高速电路轨迹分布的。在频率低于约50千赫时，回流电流倾向于遵循最低电阻路径。因此，它们倾向于沿着源和负载之间的最短电阻距离行进，如图10中的绿色区域所示。
图10两端与回导体接触的平面上的弯曲表面痕迹。颜色代表模拟1khz时的回流电流分布。图片由Keysight Technologies提供。
在频率高于50至100 kHz时，由于信号和返回路径之间的相互耦合作用，返回电流倾向于遵循最低阻抗的路径。因此，它们倾向于直接在源和负载之间的信号路径下面传播，如图11中的绿色区域所示。
图11 1mhz时模拟回流电流场分布。图片由Keysight Technologies提供。
现在你可以理解为什么模拟电路应该远离数字电路或其他有噪声的电路。我们必须防止这些“分散”的返回电流与噪声电路的返回电流混合。这就是分区如此重要的原因。
为了避免电磁场(信号)耦合和串扰，我们必须避免允许场在同一电介质空间内混合。图12展示了划分主要电路功能的一个示例。当然，随着董事会规模的缩小，这变得更具挑战性。Henry Ott在参考文献10中也描述了这个概念。
图12物联网产品电路功能的实际划分示例。
当涉及到混合信号设计时，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与数字处理结合起来，有时还结合模拟(例如音频放大器或视频)。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机的干扰。
由于低频信号返回往往更分散，我们可以看到任何模拟或低频电路都必须与数字、电源转换或电机控制器电路分开。同样，敏感的射频接收器电路，如GPS、蜂窝或Wi-Fi设备也必须与数字、电源转换或电机控制器电路分开。
分区的概念很容易理解，但实际上实现它可能很棘手。路由时钟就是一个例子。我们可能不希望在整个电路板上运行以太网和USB时钟。因此，一个重要的方面是将这些I/O函数定位到最靠近其关联连接器的位置，如图12所示。
通常，我们喜欢将开关模式电源(SMPS)放置在远离敏感RF或模拟电路的地方。然而，在某些情况下，将SMPS电路定位在更靠近它们供电的地方可能更有意义。不过，确保所有SMPS电路运行在同一层上，并有相邻的返回平面是至关重要的。(建议:避免将SMPS电路放置在离无线模块或电路太近的地方，尤其是天线。)
在图12中，功率分布用蓝色线表示。实际上，实际板上的电源分配可能是电源平面(典型为3.3 V)和电源多边形的组合，或者为其他所需的电源轨道布线更宽的走线。这种配电也应该有一个相邻的返回平面，以包含任何由于“地反弹”开关电流造成的瞬态场。