硬件系统工程师宝典（16）-----符合EMC的信号走线与回流

各位同学大家好，欢迎继续做客电子工程学习圈，今天我们继续来讲这本书，硬件系统工程师宝典。上篇我们说到PCB设计中为提高板子的EMC性能，会做滤波设计、地的分割设计、增加屏蔽壳。今天我们来看看板子要符合EMC，信号的走线和回流需要考虑什么。

开槽

从EMC角度，关键信号线优先考虑内层布线；内层布线时，优先考虑无相邻布线层的层；内层布线优先选择地平面做参考平面；确保关键信号走线未跨平面的分割区。

这里我们先来了解下“开槽”是什么，开槽是PCB设计中的一种常见结构，信号走线跨分割区问题也是一种开槽问题。

开槽问题有两种：

1.对通孔过于密集形成的开槽：比如通孔穿过底层或电源层没有电气连接，需要在通孔周围留下电气隔离，隔离环重叠起来形成开槽。

2.对电源/地平面分割造成的开槽：PCB上多种不同的电源或地时，一般会在一个或多个平面上进行电源分割或地分割。不同分割之间就形成开槽。

回流信号

低速情况下，电流沿电阻最低的路径流动，如下图所示：

 低速回流信号沿电阻最低的路径流动

可以看到低速电流从A流向B，其回流信号从地平面返回源端，面电流分布较宽。高速信号的情况下，信号回流路径上电感的作用将超过电阻的作用，高速回流信号将沿阻抗最低的路径流动，如下图所示，回流信号成束状集中在信号线的下方。

​高速回流信号沿阻抗最低的路径流动

跨分割走线会带来很多问题：

1.增大了电流环路面积，加大了环路电感，使输出波形容易振荡

2.增加了辐射干扰，加大了与板上其他电路产生磁场耦合的可能性

3.环路电感上的高频压降构成共模辐射源，通过外接电缆产生共模辐射

4.会破坏平面的开槽微带线或带状线的走线，造成阻抗的不连续，引起严重的信号完整性问题

如下图所示，地平面开槽对信号造成的影响

地平面开槽对信号造成的影响

对于因平面分割造成的开槽问题，其走线及回流路径不能跨分割平面。当跨开槽走线不可避免时，应该进行桥接，沿信号路径方向将地平面连接起来，如下图所示：

当跨分割走线时进行有效的桥接

走线转角

PCB走线进行转角时，有直角走线、45°角走线和圆角走线，如下如所示：

走线转角对比

微带线和带状线

微带线和带状线都是一种在微波通信中广泛使用的传输线。它们的基本结构都是通过在介质基板上沉积一些导电层，再以不同的方式制备出具有导电性的“线条”，从而实现信号传输。它们的主要区别在于，“微带线”通常指的是由一条带状导体和一片与之平行的接地层组成的线路结构，而“带状线”则是指由多个平行的带状导体组成的线路结构。因此，微带线通常在几GHz以下的频段中应用比较广泛，而带状线则在更高频段的应用中占据重要地位。高速信号走线时，PCB上的单根走线是由微带线和带状线组成。如下图所示走线周边的电场分布：

​微带线和带状线电场分布微带线和带状线

在进行走线设计时，除关注信号走线的路径外，还要关注信号参考平面上的信号回流路径。

信号换层

当设计多层PCB时，为满足布线需求，信号要常常变换走线层，信号变换走线层后，对应的参考平面也相应地会发生变化。如下图所示：

​信号通过过孔换层，信号回流路径发生变化

为减少信号的反射，减小信号的EMI辐射，在信号换层的地方要合理添加与信号走线同属性的过孔或在两个不同参考平面之间添加合适的缝隙补偿电容。信号走线换层而对信号回流路径做出的过孔补偿或层面补偿的电容归纳如下：

1.信号换层时，参考平面最好不要变换

2.信号换层变换参考平面的情况下，最好不要改变参考层的网络属性，在换层时如果是地网络，应在距离走线换层过孔50mil距离内合理添加地网络的信号回流过孔或缝隙补偿电容；换层时如果是电源网络，也要对应地添加电源网络的过孔或缝隙补偿电容。

3.信号换层变换参考平面属性变了，应尽量减小两个参考平面之间的距离，以减小信号间阻抗和返回路径上的压降。

4.当换层信号密度大时，在换层的过孔旁边适当多添加几个信号换层的与参考层属性相对应的回流补偿过孔或添加缝隙补偿电容。

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