关于PCB布线设计的思考（转）

     在工作中，经常会有工程师朋友问：“张工，EMC设计时，PCB怎样布局会好些？有些什么原则？”
     在EMC行业工作多年，各行各业的产品都有涉及，从日常的家电产品，白色家电或黑色家电，电脑手机，医疗器械，电梯，到汽车行业的汽车电子零部件、汽车驱动器、再到航空机载电子、航海舰艇设备等等产品，可谓​​各行各业的产品都有接触，在电磁兼容问题上，与研发工程师们讨论得最多的话题就是电子电路的EMC设计，在设计中又是以PCB设计聊得最多。很多客户朋友通过电话咨询，一接起来就听到“你好，张老师，我有一款产品EMC测试不过，你有什么建议?'；“辐射不通过整改有什么好的方法？”；“PCB的地线要怎样设计？”等等诸如此类。
     这些问题是我工作中经常听到的，按照一般的思维方式理解，对于一个专业从事EMC设计整改行业多年的工程师，回答这些问题不是难事。但实事却并不非如此简单。这些问题是我这么多年来，最怕听到的。一问起这样的问题，我立马就丈二和尚了，即便假装勉强回答，也是回答的无边无际，天花乱坠，糊灌一通，呵呵.........这个问题就比如问你：怎样学会骑自行车？
     电磁兼容EMC中PCB的设计，我经常做一个比喻，电路是基因，PCB是骨架。再好的基因，没有骨架也是白搭，再好的骨架，没有好的基因，也是毫无用武之地​，两者相辅相成。讨论EMC话题，都离不开基因和骨架的条件，也就是离不开电路原理和结构，在遵循基本规则的同时，骨架和基因还得相互适当调整。前面讲了这么多废话，就是想说明一个观点，所有基于EMC的技术讨论都要给个限定条件，这样讨论起来才有意义。
     例一：PCB地线设计要将模拟地与数字分开隔离。
     根据鄙人多年来的经验，理解这句话只理解了一半的意思。我并不是说这样讲是错误的，但是很多资料上都是这么一笔带过。对于没有丰富经验或刚入门的工程师来说，这句可能就产生了歧异，会在以后的产品设计中根深蒂固，甚至要经历惨痛的失败后才会回过头来。​​​​

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     上图为某产品的PCB设计图，忽略红圈中的焊接点。这款产品本身的功能非常简单，从PCB布局上我们可以猜到电路大致有4大模块，电源模块、数字模块、模拟模块、信号公共地。当然我并不认为设计者水平不高，也许在他或者她的脑海里，一定存在一个概念，PCB的设计中地要隔离。这个概念来自于哪里？来自于没有限定条件的所谓的经验总结。并非在电路中，非要将模拟地和数字严格区分，需要根据实际电路原理下定论。比如说产品的数字电路工作最高频率4MHz，DC/DC电源工作频率最高1MHZ，是否要将数字地与模拟地隔离处理呢？答案当然是不一定。把地分离得太散，在某种条件下，会产生地偏移，地与地之间的电位不均等，地阻抗较大，对噪声不能很好地泄放，会引发更多的问题。但在高频电路中，这个经验总结就是基本正确的，​高频信号频率高，如果隔离度不够，高频噪声信号可能会患入模拟地，并引发大面积的泄漏，对后期整改带来不可逆转的麻烦。所以定义是否要隔离，要根据电路的噪声与工作频率或功率而定，有功率的电路，需要做一定隔离，比如功放，大功率电源，步进驱动器等，有高频的电路，需要做隔离，比如有差分信号,D/A,A/D转换电路，LVDS, 网口，HDMI，USB接口等电路。
    例二：PCB的地面积要大，以减小阻抗。

    上图为某产品的PCB设计图，设计者索性将背板全部铺地，一是可以减小地的阻抗，又可以兼得对正面芯片与信号的噪声的吸收功效，一举两得。但实事上，如此设计会带来一个致命问题，就是信号噪声，无论是模拟还是数字，全部流到地上，相互之间是可以通过地层流通的，前面端口或信号的滤波措施，全部没用。就好比屋子的正门虽是关闭的，但后门而是却是敞开，不能防偷。地的阻抗小，固然重要，我们通常的滤波多是采用电容，电容是能量转换器件，将噪声转移到地，通过较低的阻抗泄放。但全面铺，减小地的阻抗的同时，也有可能将其它模块的噪声引入地，再有电容传递到信号线，导致出现问题。这把双刃剑，用好了，就是就是兵器，用过了就是屠刀。
    例三：PCB没有完整的地，信号线统一横向布置。​

     上图的PCB布局，我们看到的是一条一条的横向走线，整个电路找不到一块稍微完整的地。如此设计所导致的问题就是：1、信号线之间横向耦合严重，易导致信号串扰，2、地阻抗大，对信号和端口的滤波效果不佳，减小了滤波电路的效能。PCB中的地，大部分是半岛地，噪声在半岛地上分布是不均匀的，电荷累积在一端，达到一定能量即会对外辐射。我们在实际工作中，经常会有工程师朋友说：“张老师，我在信号线上加了滤波电容，为什么结果更差呢？”这个问题就是此案例要讨论的。电容的特性是转移能量，或者说导通能量，在一定频率下，电容它是相当于短路的，搞电路设计的朋友都知道，不废话了，在信号线上增加了滤波电容，噪声如流水，只会从高处往低处流，如果地的噪声比信号线的噪声还高，那么噪声的流向必将从地流到信号线，增加信号线上的噪声电平，导致测试结果变差，就是这个原因。所以地的阻抗小，在EMC方面的应用，其根本目的在于对噪声的吸收和泄放，始终保持地噪声电位低于信号噪声电平才是关键。
      例四：​单点接地与多点接地。
     10MHZ以下低频采用单点接地，10MHz以上高频采用多点接地还是那句话，这些经验总结当然不是信口开河，只是要加以条件限制。接地，是一个非常广泛的名词，接什么地？大地？模拟地？数字地？功率地？非常多。由于没有限定，太泛了，很多工程师就很难搞明白接地的真正含义，而很多工程师又故弄玄虚，把接地的功效渲染得出神入画，曰：一个什么什么问题，一根接地线就解决了；超了多少多少，改了接地线就OK了。。。云云。实际工作中，确有类似情况，但接地往往并没有那么大的功效，没有处理好接地的确问题较多。为了现象地说明，我把接地分为宏观接地和微观接地。宏观接地是对整个电路而言，微观接地，则是对每一块局部电路而言。
     首先来聊聊宏观的接地方法。通常采用导线连接，该方法在一些大型工控设备里很常，有的则采用PCB螺孔接地处理，在IT产品和便携式产品里很常见。那么我们采用接地导线与电源地线或机壳连接时，这个属于单点接地。现在的工控设备，功能越来越强大，处理频率越来越高，单点接地​同样适用。只要注意接地线尽可能短，多短呢，理论上认为接地不超过产品最高频率的1/20波长即可。比如一个产品内部工作频率200MHZ,接地线不要超过7.5公分就好，在实际工作，我遇到一台船用报警装置，带显示屏，内部DSP最高工作频率达到150MHZ,由一个塑料封装结构再镶嵌到一个金属箱体内，设计者在处理结构问题时，考滤到了接地的处理方法，用了三处接线，分别锁到最近端的金属机箱上，在辐射测试，出现时钟窄带超标，主频为27MHZ, 由于产品没有良好的地层铺设，故拆除其中二个接地，保留离电源供电最近的一个接地点，改用导线直接锁到螺柱上，不再延长到机箱。再重测试，噪声下降，注意是噪声下降，而不是消除，仅是辐射的能量下来了，通过测试。

​      另一个经验就高频要采用多点接地。在高频芯片或射频电路中，要屏蔽必须多点接地，但对于整个板子宏观来讲，当PCB电路采用多点接地时，可能会对ESD项目带为灾难后果。我遇到几个类似的问题，某汽车电子设备，PCB采用螺孔多点接地，结果在ESD外壳测试时，出现偶尔会失败，由于电路结构和芯片抗静电性能的差异，有时多点接地，会把ESD问题导入，在辐射或传导试验中OK，在ESD项目中却失败。数字电路中，过多的与外壳接地，并非一件好事，如果电路布局和芯片的抗静电能力弱，那么多点接地的方法在ESD中，最好加以限制。处理这个案子时，为了保证接地有效，将三个螺丝孔的PCB地割断，仅保留一个螺孔，此接与电源负极最近。重新试验ESD通过。还有一个案例，一医用牙床设备，一块控制板因接地出现传导不通过，从传导数据分析，它就是一时钟干扰，主频为4MHZ，主频不高但倍频上来了，产品在设计时，板子就与机壳存在连接点，当时我也没注意到这个接地的危害，一直在想办法将倍频处理掉，在试验过程，无意间将板子悬起来测试，板子没有与金属体连接，测试通过。后来分析才明白，这个接地存在问题，接地就在控制器芯片的旁边，控制芯片又接近电源端口，结分离处理后所有项目测试都通过。实事说明有时候有些措施又是多余的，反而带来问题。反过来，微观上的接地原理亦然，EMC问题要综合的通盘考虑，不要脚痛医脚，头痛医头，有时候头痛治好了，脚又痛。主要分清楚为什么要接地，接地的意义是什么就能正确运用前人留下的宝贵经验。

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