用于 EMC 改进的 PCB 分区设计规则

EMC是Electro-Magnetic Compatibility的缩写，是指电子设备​​能够在相同的电磁环境中实现各自功能的共存状态。简单来说，EMC允许电子设备独立正常工作，相互之间没有干扰，即电子设备可以在整个系统中相互兼容。由于EMC是通过控制EMI（Electro-Magnetic Interference）来实现的，因此随着EMI的介绍、EMI研究、抗EMI解决方案、EMI管理等一系列有关EMI的研究而发展。

EMC 的基本原理

要减少数字信号和模拟信号之间的干扰，首先需要了解 EMC 的两个基本原则。
原则 1：应尽量减少电路环路面积。
原则 2：只能应用单一参考平面在一个系统中。

一旦不遵循原则 1，信号必须通过较大的环形区域，就会产生较大的环形天线。但是，一旦未能遵循原则 2 并且有两个参考平面可用，就会创建一个偶极天线。结果都不是预期的。

混合信号 PCB 分区规则和应用

建议同一混合信号板上的数字地和模拟地分开，以实现它们之间的隔离。尽管该解决方案可行，但仍会出现许多潜在问题，尤其是在大型系统中。关键问题在于无法在数字地和模拟地之间的分割处建立跟踪。随着跨越分割的跟踪设置，电磁辐射和信号串扰都将急剧上升。 PCB设计中最常见的问题是由于信号线穿过分裂地或电源而导致的EMI。

下图1描述了上面介绍的情况。

基于这种分割方法，信号线必须穿过数字地和模拟地之间的分割线。那么，信号电路返回路径是什么样的呢？假设两个分离的地在一个点连接在一起，在这种情况下，接地电路将产生一个大回路。此后，高频电路流经大环路会导致大环路的发生，并产生高接地电容和辐射。如果低电平模拟电路流过大环路，很容易受到外部信号的干扰。最坏的情况是分接地接电源时，会形成一个非常大的电路回路。此外，当模拟地和数字地通过长引线连接在一起时，将形成偶极天线。因此，工程师应该知道混合信号PCB设计优化中返回电路的路径和方法。然而，许多工程师只关注信号电路的流动路径，而没有考虑电路的具体路径。如果必须拆分地平面并且必须在拆分处布置走线，则可以先在两个拆分地之间进行单点连接，并形成桥接，以便在每条信号线下方提供直流返回路径，并具有较小的环路面积形成，如图2所示。

光隔离设备或变压器的应用也可以导致信号跨分路。谈到光隔离设备，它是跨越分裂的光信号。谈到变压器，它是穿过分裂的磁场。另一种适用的方法在于差分信号的应用。信号流入一条线路，同时从另一条信号线路返回。在这种情况下，不需要接地作为返回路径。

分割分区可应用于以下三种情况：
情况一：某些医疗设备要求与患者相连的电路与系统之间的漏电流较小。
情况二：某些工业过程控制设备的输入可能是与高噪声、高功率的机电设备相连。
情况3：PCB布局有一定的局限性。

混合信号 PCB 上通常提供独立的数字和模拟电源，并且可以而且应该依赖分离的电源层。然而，与电源层紧密相连的信号线无法跨越电源之间的分界线，并且所有穿过该分界线的信号线都必须是大面积导体平面的环境线。在某些情况下，通过将模拟电源设计为 PCB 连接线而不仅仅是一个平面，可以避免与电源平面有关的分裂问题。

混合信号PCB的地平面布局方法及应用

要讨论数字信号对模拟信号的干扰，首先要了解高频电流的属性。高频电流总是取决于具有最小阻抗（最低电感）的路径，并且直接位于信号之下。因此，无论该平面是电源平面还是接地平面，返回路径都将流经环境电路平面。在实际操作中，接地层倾向于与电路板一起使用，电路板分为模拟部分和数字部分。模拟信号位于所有平面的模拟部分，而数字信号位于数字电路区域。在这种情况下，数字信号返回电流不会流入模拟信号的地。只要在PCB的模拟部分之上进行数字信号布局或在数字部分之上进行模拟信号布局，就会产生数字信号对模拟信号产生的干扰。

此类问题的发生并非源于没有分割接地，而是数字信号布局不合适。在PCB设计、地平面应用、数字电路和模拟电路的分区以及合理的信号布局方面，通常有助于解决布局和分区方面的难题。此外，可以避免一些由分地引起的潜在问题。因此，元件布局和分区成为决定 PCB 设计质量的关键因素。如果布局和分区足够合适，数字地的电流将被限制在电路板的数字部分，模拟信号不会受到干扰。必须仔细检查和检查这种情况的布局，以确保必须完全符合布局规则。否则，即使是不合适的信号线布局，也可能导致整个电路板的损坏。

当 A/D 转换器的模拟地和数字地引脚连接在一起时，大多数 A/D 转换器制造商会建议将 ADND 和 DGND 引脚通过最小的引线以低阻抗连接到同一地。这是因为大多数A/D转换器IC内部没有连接这些引脚，任何与DGND相连的外部阻抗都会导致更多的数字噪声通过寄生电容与IC内部的模拟电路耦合。因此，A/D 转换器的 AGND 和 DGND 引脚都应与模拟地连接。然而，这会引起一个问题，即模拟地或数字地应与数字信号去耦电容的接地端相连。

对于单A/D转换器的系统，上面介绍的问题很容易解决。在地分离的情况下，模拟地部分和数字地部分连接在 A/D 转换器下方。采用这种方法时，两地之间的桥接宽度应与IC的一样宽，任何信号线都不能跨越分叉。

对于一个有几个 A/D 转换器的系统，例如 10 个，我们应该如何连接？如果我们按照上面介绍的相同方案，即在A/D转换器下连接模拟地和数字地，就会造成多点连接，使模拟地和数字地之间的隔离变得毫无意义。如果不这样进行连接，将无法满足制造商的要求。最佳解决方案在于应用均匀接地，分为模拟部分和数字部分。这种布局不仅满足了IC厂商对模拟地和数字地的要求，它们之间的阻抗要求低，而且避免了环形天线或偶极天线等EMC问题。

如果工程师对 PCB 设计中的统一接地应用存在疑问，可以基于接地平面拆分方法进行布局。在设计的过程中，板子应该可以通过小于0.5英寸的跳线或0ohm电阻连接分裂地。应非常注意分区和布局，以确保没有数字信号线放置在模拟部分之上，反之亦然。此外，任何信号线都不得跨越接地分离或分离隔离电源。测试PCB的功能及其EMC，需要通过0ohm电阻或跳线连接两个地，然后重新测试板子的功能及其EMC。结果比较表明，在所有情况下，均匀接地方案在功能和EMC方面均优于分接地方案。

混合信号PCB设计是一个复杂的过程。 PCB 应划分为独立的模拟部分和数字部分，A/D 转换器应跨部分放置。为了分离模拟和数字电源，隔离电源平面之间的分割不应交叉，必须交叉的信号线应布置在大面积周围的电路层。应该分析返回路径电流在哪里流动以及它是如何流动的，以便符合合适的组件布局和正确的布局规则。在电路板的所有层中，数字信号只能在数字部分进行布局，而模拟信号只能在模拟部分进行布局。

混合信号PCB的地平面布局方法及应用

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