电磁兼容性EMC改进的PCB分区设计规则

电磁兼容性EMC改进的PCB分区设计规则
      EMC是电磁兼容性的缩写，指的是电子设备能够在同一电磁环境中实现其自身功能的共存状态。简而言之，EMC允许电子设备独立且正常地工作而它们之间没有干扰，也就是说，那些电子设备可以在整个系统中彼此兼容。由于EMC是通过控制EMI（电磁干扰）实现的，因此它通过一系列关于EMI的研究而发展，例如EMI的引入，EMI研究，抗EMI解决方案和EMI管理。

电磁兼容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：电路回路区域应小化。
原理2：只能在系统中应用SINGLE参考平面。

一旦原则1无法被遵循并且信号必须通过大的环路区域，将产生大的环形天线。但是，一旦原则2无法遵循并且有两个参考平面可用，将创建偶极天线，结果都不是预期的结果。

混合信号PCB分区规则和应用
      建议在同一混合信号板上的数字地和模拟地应分开，以实现它们之间的隔离，尽管该解决方案具有可行性，但仍会出现许多潜在问题，尤其是在大规模系统中。关键问题在于，在数字地面和模拟地面之间的分割中无法建立跟踪。通过在分割中设置跟踪，电磁辐射和信号串扰将急剧上升。PCB设计中常见的问题在于由于信号线穿过分裂地或电源而产生的EMI。

下面的图1描述了上面介绍的情况。

EMC改进的PCB分区设计规则

基于这种分离方法，信号线必须跨越数字地和模拟地之间的分裂。那么，信号电路的返回路径是什么样的？
      假设两个分裂接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的环路，此后，高频电路流过大环路将导致出现具有高接地电容和产生辐射的大环路。如果低电平模拟电路流过大环路，则很容易受到外部信号的干扰。当分裂接地与电源连接时，将发生坏的情况，将形成极大的电路回路。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，工程师应该了解混合信号PCB设计优化中的返回电路的路径和方法，然而，许多工程师在不考虑电路特定路径的情况下查看信号电路的流动路径。如果必须拆分地平面并且必须在分裂处布置跟踪，则可以首先在两个分裂地之间实现单点连接，并且形成桥，以便在每个信号线下方提供直流返回路径，具有小的环路面积形成，如图2所示。

EMC改进的PCB分区设计规则

      光学隔离装置或变压器的应用也可以导致跨越分裂的信号，对于光隔离器件，它是分裂的光信号。对于变压器来说，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。信号从另一条信号线返回时流入一条线。在这种情况下，不需要接地作为返回路径。

可以在以下三种情况下应用分割分区：
情况1：某些医疗设备需要在与患者和系统连接的电路之间具有低泄漏电流。
情况2：来自某些工业过程控制设备的输入可能与具有高噪声和功率的机电设备连接。
情况3：PCB布局受到某些限制。

      混合信号PCB上通常可以使用独立的数字和模拟功率，并且可以并且应该依赖分离的功率平面，然而，与电源平面紧密相邻的信号线不能跨越功率之间的分离，并且穿过该分裂的所有信号线必须是具有大面积的环境到导体平面。在某些情况下，通过将模拟电源设计为PCB连接线而不仅仅是平面，可以避免有关电源层的分裂问题。

混合信号PCB的接地平面布局方法及应用
      为了讨论数字信号对模拟信号的干扰，必须首先理解高频电流的属性，高频电流始终取决于具有小阻抗（低电感）的路径，并且直接位于信号之下。结果，无论该平面是电源平面还是地平面，返回路径都将流过环境电路平面。在实际操作中，接地平面倾向于与分成模拟部分和数字部分的电路板一起使用，模拟信号位于所有平面的拟部分内，而数字信号位于数字电路区域内。

在这种情况下，数字信号返回电流不会流入模拟信号的地，只要在模拟部分上方执行数字信号布局或在PCB上的数字部分上方执行模拟信号布局，

      这些问题的发生并非源于没有分裂地面，而是数字信号的不合适布局，在PCB设计，地平面应用，数字电路和模拟电路划分以及合理的信号布局方面，通常有助于解决有关布局和分区的难题。此外，可以避免由分裂地面引起的一些潜在问题。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，则数字接地中的电流将限制在电路板的数字部分中，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，以确保布局规则必须完全符合。除此以外，

      当A / D转换器的模拟地和数字接地引脚连接在一起时，大多数A / D转换器制造商建议通过小引线将ADND和DGND引脚连接到具有低阻抗的相同地，这是因为这些引脚没有连接在大多数A / D转换器IC内部，任何与DGND连接的外部阻抗都会通过寄生电容导致更多的数字噪声与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，然而它将引起一个问题，即模拟地或数字地是否应与数字信号的去耦电容的接地端相连。

      对于具有单个A / D转换器的系统，可以轻松解决上述问题。接地分离后，模拟接地部分和数字接地部分连接在A / D转换器下。当使用这种方法时，两个地之间的桥接应该与IC的桥接一样宽，并且任何信号线都不应该跨越分裂。

对于带有少量A / D转换器的系统，我们应该如何连接？
      如果我们遵循上面介绍的相同解决方案，即在A / D转换器下连接模拟地和数字地，将导致多点连接，使得模拟地和数字地之间的隔离变得毫无意义。如果不进行这样的连接，则不符合制造商的要求。佳解决方案在于均匀地面的应用，分为模拟部分和数字部分。这种类型的布局不仅满足IC制造商对模拟接地和数字接地的要求，这些制造商要求它们之间具有低阻抗，但要避免出现诸如环形天线或偶极天线之类的EMC问题。

      如果工程师对PCB设计中的均匀地面应用存有疑问，可以基于地平面分割方法实现布局，在设计过程中，电路板应能接触到小于0.5英寸或0欧姆电阻的跳线，以连接分离接地。应该对分区和布局给予足够的重视，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功率，要测试PCB及其EMC的功能，应通过0ohm电阻或跳线连接两个接地，然后再重新测试电路板及其EMC。结果对比表明，在所有情况下，均匀的地面解决方案在功能和EMC方面优于分裂地面解决方案。

      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，数字部分和A / D转换器应跨部分放置，为了分离模拟和数字功率，不应交叉隔离的电源平面之间的分割，并且必须交叉的信号线应布置在环境到大面积的电路层上。应分析返回路径电流的流动及其流动方式，以便符合合适的元件布局和正确的布局规则。在电路板的所有层中，数字信号只能以数字部分布局，而模拟信号只能以模拟部分布局。

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