摘要
对于任何需要高速时钟的产品设计，电磁兼容性(EMC)合规问题可能是一大困扰。本文从电磁(EM)场定向的角度概述了印刷电路板(PCB)设计，旨在帮助读者一次性通过电磁干扰(EMI)合规性测试。用于降低EMI的技术也将减轻干扰，这体现了通用的PCB布局理念。本文分为三个部分。文章将首先介绍基本物理知识，帮助读者了解为什么本文所述的技术能够减轻PCB布局上的EMI。第2部分将举例说明如何将第1部分的材料应用于实际电路板布局。最后，第3部分将讨论满足所提议解决方案的复杂电路板的PCB布局策略。
简介
在设计过程中，为什么合规性往往是最后才考虑的因素？这通常是因为在开展任何实际测试之前，需先确保整个系统可用。如果在设计后期才发现问题，那么可能需要调整印刷电路板(PCB)，当产品设计周期的后期涉及到多人操作时，这项工作的 成本总是很高。这种情况常令人可惜。但实际上，只需遵循本文中描述的最佳实践，就必然可以符合电磁兼容性(EMC)（辐射、传导或敏感性）要求。本文所述方法有助于将电磁干扰(EMI)合规性贯穿整个PCB的架构、设计和布局过程。本文的目的不仅仅是演示如何设计电路板以使其通过EMC测试，更是希望读者能理解相关基本原则及工作原理，以便读者可以在其他地方运用这些原则。
EMI、干扰和敏感性背后的基本原理非常简单。减少EMI的关键就在于控制和约束电场与磁场。简单来说，如果电磁(EM)场暴露在自由空间中并可以进一步扩展，干扰和EMI就会随之产生。如何实现这种场约束？只需在电路板上（以及任何连接的电缆中）各处设计实现零净加速电荷即可。这意味着对于每个正在加速的电荷，其附近都有另一个电荷可以沿与原始电荷相反的方向加速。当这些事件在远场一起发生时，每个电荷的效应将能够抵消。没有了场能，就不会产生EMI或干扰。也就是说所有电磁场能量将会被约束在元件内部，或者约束在信号走线与接地层之间的PCB电介质中。上述理念适用于电路板上的走线，但事实上，孤立系统中带有无约束场且长度较长的天线是更大的问题。我们将在日后的文章中讨论这一主题。
电荷上静态和动态力的物理知识
电荷只有暴露在电场中时才会移动。空间中给定位置的电场可以是静态的（例如静止电荷产生的场）。某一位置的电场也会随时间而变化（例如运动电荷产生的场）。当电荷开始运动时，磁场便随之产生。与电场类似，磁场既可以是静态的，也可以随时间变化。根据洛伦兹力公式F = q (E + vxB)，我们可以得知，磁场中的运动电荷会受到一个力，这个力的方向要么朝向产生磁场的运动电荷，要么远离它们。由于只有电场才能对电荷施加力，因此磁场实际上是由相对论效应产生的电场。这是运动电荷原始库仑场的一种表现形式。电场和磁场本质上是同一种物理现象，只是在不同的参考系下呈现出不同的形态。
当这些场随时间而变化时，可能会产生辐射或EMI。电荷可以是静态的，可以在空间中移动，或者被加速。只有当电荷被加速时，才会产生辐射。这本质上是简单的事实：磁场本质上是电场，而加速电荷将导致该相对论场释放其能量。加速电荷同时 满足安培定律和法拉第定律的条件，从而在空间中形成了传播的电磁场。通过仔细研究下方所示的麦克斯韦方程组，我们可以从数学上解释这一现象。其中，安培和法拉第提出的第三和第四个方程是理解辐射和EMI的关键。
电场的高斯定律：
磁场的高斯定律：
安培-麦克斯韦定律：
法拉第定律：
这些方程表明，除了使用电荷，还有其他方法可以产生电场和磁场。变化场或动态场也可以创建场，进而会在自由空间或PCB上传播电磁场能量。坡印廷能量矢量描述了该能量的运动。
坡印廷矢量：
有电压和电流的地方始终存在场。电磁场是信息和能量的载体。消除电磁场既不可行，也不可取。我们的目标是控制场的位置，以使电磁场不能对受扰电荷施加力（即避免干扰），也不会向自由空间辐射（即避免EMI）。
好消息是，如果PCB设计合理，就可以自动约束这些场。
无论是运动电荷还是静止电荷，任何电荷分布都会自行排列，从而尽可能减少因电荷分布而存储或耗散的能量。
这一规律不仅适用于静电能，也适用于磁能。参与分布的电荷首先会自行排列，以尽可能减少存储的能量。随着时间推移，该排列将恢复成耗散尽可能少的能量。这种行为实际上是电荷之间相互作用力的结果。
那么，应如何设计电路板以尽可能减少其存储的能量？这可以通过在信号和电源路径附近设置接地层来实现。接地层的靠近使得铜几何结构能够存储最少的电能和磁能。这是因为电场将从接地层获取电荷，从而几乎抵消从外部观察到的净电场，正如从该偶极外部所见。同样，当电荷加速时，法拉第定律会在接地层中感应出电流，从而抵消外部磁场。在设计电路板时，应确保这种自然现象能够顺利发生。需要注意的是，这两种效应几乎是即时发生的，唯一的延迟是信号从电荷到接地层的传播速度（即光速C）。
上文还描述了传输线路的属性。大多数工程师对传输线路了如指掌，并且每天都会为高速电路使用传输线路。为了避免干扰和EMI，必须将这些传输线路技术融入所有PCB应用。微带线传输线路可能是PCB设计中较常用的结构，基本上只是接地层上方的一条走线。理论上，这会将电场和磁场约束在走线和接地层之间的空间内。如图1所示，在体积A中，麦克斯韦方程组表明，封闭的总电荷等于穿过该体积表面的电通量的积分。由于零电荷被包围，且内部相等和相反电荷的分离发生在同一个地方， 表面外的净电场将趋近于零。传输线路，表面B，将包围零加速电荷。麦克斯韦方程组表明，如果穿过表面B的净电流为零，那么围绕该表面的磁场的线积分也将趋近于零。根据法拉第定律，围绕表面C的线积分同样会趋近于零。
需要注意的是，传输线与接地层之间的空间不能为零（否则会导致外部场为零）。在RF和高速数字应用中，通常使用50 Ω的传输线以最大化信号带宽。而对于电源电路，则使用阻抗低得多的设计，通常仅为几欧姆。
值得注意的是，所有这些物理知识可归纳为三个良好实践，在布局过程中应遵循这些实践。下一部分将逐一介绍各个实践。
良好实践
#1追求零净加速电荷
该实践鼓励设计人员关注PCB设计中的电流路径。根据法拉第定律，考虑电路板布局是否允许自然提供抵消电流。请记住，任何电流的存在都意味着它在某一时刻经历了变化，才能达到当前的值。
#2设计布局时，将电场和电磁场约束在特定的较小区域内
这是第一个实践的应用结果。如果布局设计能够实现零净加速电荷，那么电场也会被有效地限制在特定区域内。在布局过程中，设计者需要特别关注这一点，因为无论是电场还是磁场，都是能量传输的必要条件。
#3关注电磁场，而非仅仅关注电压和电流
能量和信息是通过电磁场实现的，而不是通过PCB上的铜线。如果微带线有瑕疵，那么完全消除外部电磁场是不可能的。传输线路阻抗越大，场受到的约束就越少。幸运的是，阻抗较高的线路（最大带宽时阻抗为50 Ω）通常以较低的电流工作，其初始值限制为电压除以50 Ω特性阻抗。电源层的阻抗较低（这是理想状态），但以较高的电流运行（这不太好），并且需要处于欠阻尼状态（即具有最小的实际电阻），否则损耗会太大。这些高Q电路会产生显著辐射，这一问题将在后续文章中详细讨论。从EMI的角度来看，自然现象实际上是在帮助设计者，而不是制造障碍——电荷总是会以消耗最少能量（无论是存储还是耗散）的方式排列。
能量和信息是通过电磁场实现的，而不是通过PCB上的铜线。如果微带线有瑕疵，那么完全消除外部电磁场是不可能的。传输线路阻抗越大，场受到的约束就越少。幸运的是，阻抗较高的线路（最大带宽时阻抗为50 Ω）通常以较低的电流工作，其初始值限制为电压除以50 Ω特性阻抗。电源层的阻抗较低（这是理想状态），但以较高的电流运行（这不太好），并且需要处于欠阻尼状态（即具有最小的实际电阻），否则损耗会太大。这些高Q电路会产生显著辐射，这一问题将在后续文章中详细讨论。从EMI的角度来看，自然现象实际上是在帮助设计者，而不是制造障碍——电荷总是会以消耗最少能量（无论是存储还是耗散）的方式排列。
下一篇文章将深入讨论实际电路板布局，介绍由于不完善的布局技术而导致的辐射源，并提供改进方法。我们将分析以下PCB布局中常见的情况。
在PCB上，发生以下情况时，通常会失去场约束：
- 信号在层间转换
- 信号在公共接地层上方共用相同的空间
- 信号在共用接地层上方相互交叉
- 信号并行运行
- 出现场边缘
- 信号沿微带线或其他有缺陷的传输线路传播
结论
本文介绍了为低辐射和EMI合规性测试设计电路板布局所需的基本物理知识和思维过程。通过分析，我们了解到只有电场可以作用于电荷，运动电荷产生的磁场实际上是一种相对论电场。电荷加速时，麦克斯韦方程组和坡印廷矢量揭示了场如何在自 由空间中传播。所有PCB铜几何结构均可视为传输线路，能够利用场对电荷的影响，将其约束在PCB的特定区域内。本文第2部分在此基础之上，介绍了如何布局PCB以尽可能减少无约束场。这些无约束场正是干扰和EMI的主要来源。无约束场可能有两个来源：电路本身或外界（敏感性）。下一篇文章将分别讨论这两个来源。
只需遵循以下三个良好实践，即可兼顾关键点和所有物理效应。
- 良好实践#1： 追求零净加速电荷。
- 良好实践#2：设计布局时，将电场和电磁场约束在特定的较 小区域内。
- 良好实践#3： 关注电磁场，而非仅仅关注电压和电流。
无论是运动电荷还是静止电荷，任何电荷分布都会自行排列，从而尽可能减少因电荷分布而存储或耗散的能量。
参考文献
Richard P. Feynman、Robert B. Leighton和Matthew Sands。费曼物理学讲义，盒装：新千年版。Basic Books，2011年1月。
Johnson, Howard W.和Martin Graham。High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic. PTR Prentice Hall, 1993年4月。
Ralph Morrison。Fast Circuit Boards: Energy Management. John Wiley & Sons Publications ，2018年1月。
