一次通过 EMI 合规性测试 —— 第 1 部分：相关物理知识

　　电磁兼容性（EMC）合规问题已然成为一大棘手的困扰。电磁干扰（EMI）不仅可能影响产品自身的性能，还可能对周围的电子设备造成干扰，从而引发一系列的问题。因此，如何确保产品能够性通过 EMI 合规性测试，成为了工程师们亟待解决的问题。本文将从电磁（EM）场定向的独特角度出发，深入概述印刷电路板（PCB）设计，旨在为读者提供有效的方法，帮助其性通过 EMI 合规性测试。同时，用于降低 EMI 的技术也将在很大程度上减轻干扰，这充分体现了通用的 PCB 布局理念。
　　本文精心分为三个部分。首先，将着重介绍基本物理知识，帮助读者深入了解为什么本文所述的技术能够有效减轻 PCB 布局上的 EMI。在设计过程中，合规性往往是才被考虑的因素。这主要是因为在开展任何实际测试之前，工程师们需要先确保整个系统能够正常运行。然而，如果在设计后期才发现 EMI 相关问题，那么可能需要对印刷电路板（PCB）进行调整。当产品设计周期的后期涉及到多人操作时，这项调整工作的成本往往非常高，这无疑是令人惋惜的。但实际上，只要遵循本文中描述的实践，就能够符合电磁兼容性（EMC）（辐射、传导或敏感性）要求。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，更重要的是希望读者能够深刻理解相关基本原则及工作原理，以便在其他项目中也能够灵活运用这些原则。
　　EMI、干扰和敏感性背后的基本原理其实并不复杂。减少 EMI 的关键在于精准控制和巧妙约束电场与磁场。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，那么干扰和 EMI 就会随之产生。要实现这种场约束，只需在电路板上（以及任何连接的电缆中）各处巧妙设计，实现零净加速电荷。这意味着对于每个正在加速的电荷，其附近都要有另一个电荷能够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相互抵消。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有效地约束在元件内部，或者约束在信号走线与接地层之间的 PCB 电介质中。不过，需要注意的是，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对这一主题进行深入讨论。
　　电荷只有暴露在电场中时才会发生移动。空间中给定位置的电场既可以是静态的（例如由静止电荷产生的场），也可能会随时间而变化（例如由运动电荷产生的场）。当电荷开始运动时，磁场便会随之产生。与电场类似，磁场既可以是静态的，也能够随时间变化。根据的洛伦兹力公式 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特殊表现形式。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，就有可能产生辐射或 EMI。电荷可以处于静态，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。这本质上是基于一个简单的事实：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。通过仔细研究麦克斯韦方程组，我们可以从数学上对这一现象进行深入解释。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。
　　电场的高斯定律描述了电场与电荷之间的关系，它表明电场线从正电荷出发，终止于负电荷。磁场的高斯定律则表明，磁场是无源场，不存在单独的磁荷。安培 - 麦克斯韦定律揭示了电流和变化的电场能够产生磁场，而法拉第定律则阐述了变化的磁场能够产生电场。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方向和大小。在有电压和电流的地方始终存在场，电磁场是信息和能量的重要载体。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）。
　　幸运的是，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。随着时间的推移，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，应如何精心设计电路板以尽可能减少其存储的能量呢？这可以通过在信号和电源路径附近合理设置接地层来实现。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，的延迟是信号从电荷到接地层的传播速度（即光速 C）。
　　上文还详细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，并且在每天的高速电路设计中都会广泛使用传输线路。为了避免干扰和 EMI，必须将这些传输线路技术全面融入所有 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。
　　需要特别注意的是，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。
　　所有这些物理知识可以归纳为三个良好实践，在布局过程中应严格遵循这些实践。
　　追求零净加速电荷
　　该实践鼓励设计人员高度关注 PCB 设计中的电流路径。根据法拉第定律，要仔细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。
　　设计布局时，将电场和电磁场约束在特定的较小区域内
　　这是个实践的具体应用结果。如果布局设计能够成功实现零净加速电荷，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。
　　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（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 —— 电荷总是会以消耗少能量（无论是存储还是耗散）的方式排列。
　　由于磁耦合或静电耦合（互感和互容），PCB 布局会引起 EMI 和干扰。这种耦合现象的产生，主要是因为 PCB 上用于传输能量和信息的结构并不完美，无法像同轴电缆那样完全约束电磁场。波导（走线和接地层）之间的空间（电介质）将导致干扰和 EMI，除非该几何结构能够完全约束场。
　　下一篇文章将深入讨论实际电路板布局，详细介绍由于不完善的布局技术而导致的辐射源，并提供切实可行的改进方法。我们将重点分析以下 PCB 布局中常见的情况，因为在这些情况下，通常会失去场约束。
　　信号在层间转换
　　当信号在不同的 PCB 层之间转换时，可能会破坏电场和磁场的约束，从而导致 EMI 的产生。
　　信号在公共接地层上方共用相同的空间
　　多个信号在公共接地层上方共用相同的空间时，可能会相互干扰，增加 EMI 的风险。
　　信号在共用接地层上方相互交叉
　　信号相互交叉可能会导致电磁场的耦合，从而产生干扰和 EMI。
　　信号并行运行
　　信号并行运行时，可能会产生串扰，影响信号的质量，同时也可能增加 EMI 的辐射。
　　出现场边缘
　　场边缘的存在可能会导致电磁场的泄漏，从而产生 EMI。
　　信号沿微带线或其他有缺陷的传输线路传播
　　有缺陷的传输线路可能无法有效地约束电磁场，从而导致 EMI 的产生。