博客作者：Dario Fresu

在 “掌握 PCB 設計中的 EMI 控制” 系列的第二篇文章中，我們將深入探討維持低電磁干擾（EMI）的關鍵概念之一。

電路板分區（又稱電路板分割）是一種用于組織印刷電路板（PCB）不同電路部分并使其相互隔離的方法。這一技術可提升電路板的整體性能，尤其是在 EMI 控制方面。它不僅有助于減少電磁干擾，還能增強 PCB 設計的信號完整性。

這些技術背后的原理包括：

約束高頻數字信號的高能量成分。

避免電路板內不同類型電路之間的共阻抗耦合。

減小電流環路面積以降低輻射，并提升對外部干擾的抗擾度。

高速信號與低速信號及其諧波

第一個核心概念涉及控制快速切換信號產生的高能量諧波成分，以及其電流隨時間變化的速率。電流變化速率越高，信號中的諧波能量越強，輻射風險也隨之增加。

第二個概念是：信號的返回電流會隨信號頻率發生變化。這是因為信號傳播過程中遇到的阻抗不僅包含導體的電阻，還包括電容，尤其是環路電感。隨著信號頻率升高，阻抗的感性分量（與頻率相關）會顯著增大。

返回路徑的差異

由于電流總是趨向于低阻抗路徑，因此需要明確：當信號頻率升高時，返回電流會緊密跟隨信號電流，以最小化電感環路；反之，在低信號頻率下，電感影響減弱，阻抗的阻性分量占主導地位。

此時返回電流會擴散到導體表面以尋找最小電阻路徑。對于 PCB 設計者而言，關鍵在于：返回電流流回源端的路徑取決于信號頻率。

圖 1-Altium Designer 中基于頻率的不同返回電流路徑示例

作為 PCB 設計者，我們的任務是最小化這些返回電流之間的干擾，避免可能導致電磁輻射的共阻抗耦合。為此，可在 PCB 中劃分特定區域或分區，每個分區專用于特定類型的電路。這也能縮小電流環路，減少差模電流產生的輻射。

或許有人會嘗試通過分割返回參考平面（RRP）來進一步隔離不同電路的返回電流路徑，但這一做法不符合 EMC 標桿實踐 —— 因為它會在兩個金屬區域之間產生電壓差，形成類似天線的結構，進而引發電磁輻射。

圖 2-Altium Designer 中錯誤的平面分割示例

正確的解決方案是采用完整的低阻抗返回參考平面，使返回電流能夠找到優選路徑流回源端。該平面不應存在切口、分割或大的間隙，以免成為共模噪聲源。元件布局應根據電路類型和功能劃分為不同的獨立區域：

對于混合信號電路板，典型的分區包括數字區、電源區、模擬區、輸入 / 輸出（I/O）區，必要時還可設置濾波區。例如，數字區應遠離其他元件。盡管返回電流會緊密跟隨信號走線，但信號諧波中的高能量成分仍可能更有效地輻射，并與電路板的其他區域耦合。

典型案例是時鐘信號耦合到電路板其他部分的網絡（如電源和模擬區），而這些區域可能連接電纜，電纜會充當天線，加劇輻射。

電纜形成的天線結構

輸入 / 輸出區至關重要：一方面需限制噪聲注入電纜，另一方面需通過濾波技術和屏蔽進一步隔離，以減少外部干擾或抑制電路板的噪聲輻射。布局時必須考慮電纜及周圍設備或結構。數字區應遠離 I/O 區域，理想情況下位于電路板中央而非邊緣，避免高能量諧波耦合到電纜或從邊緣輻射。

圖 3 - Altium Designer 中錯誤的平面分割示例

此外，建議將所有輸入 / 輸出電纜集中布置在電路板的一側而非多個邊緣，以避免電纜之間的電壓差，防止形成類似天線的結構（這類結構會加劇數字信號或噪聲的輻射）。

結論

遵循上述建議，可有效減少輻射發射，并限制外部干擾耦合到設計中。

在下一篇文章中，我們將探討如何選擇 PCB 疊層結構，以提升 EMI 性能并降低風險。

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Altium有限公司隸屬于瑞薩集團，總部位于美國加利福尼亞州圣迭戈，是一家致力于加速電子創新的全球軟件公司。Altium提供數字解決方案，以最大限度提高電子設計的生產力，連接整個設計過程中的所有利益相關者，提供對元器件資源和信息的無縫訪問，并管理整個電子產品生命周期。Altium生態系統加速了各行業及各規模企業的電子產品實現進程。