顺利通过EMC试验（二十一）文字版

预习思考题

你在进行PCB设计时，注意到裂缝的问题了吗？

前面我们介绍了多层PCB板上的地线层上的裂缝的危害，大家要充分重视这个问题。

前两天，在一个群里看到一个群友晒了一块PCB板的正面和背面，并发感慨“这块PCB的EMC设计很完善，怎么辐射发射和静电放电试验失败呢”。我看到，这块PCB上有大块的地线（大概这就是群友所说的EMC良好的依据吧），但是每块地之间都有裂缝，我就知道，这块PCB的EMC特性不会好到哪里了。

图中列出了一些可能导致地线面上出现裂缝的原因。

第一种原因是无意中形成的，随着PCB布线越来越密，这种原因越来越常见。在布线时需要注意。如果是在无法避免时，信号线要避开这些裂缝。

第二种原因是设计师故意形成的裂缝，有PCB设计经验的人恐怕都做过这种事情。现代的设计理念是，数字地与模拟地之间不用分开，做成一体的。这在后面我们会介绍。

第三种原因也是设计师有意而为的，随着大家对EMC设计知识掌握的越来越多，这种情况也更加常见。因为，很多EMC设计资料中提到，要在I/O接口部分形成“干净地”。

我们知道，裂缝的主要危害在于强迫信号的回流改变路径，形成一个较大的回路。

图中给出了一种比较极端，但是却不罕见的情况。这就是，在PCB上数字地与模拟地 截然分开，然后在某一点，例如电源的负端，或者金属机箱/机架的某一点，连接起来。

我们可以看到，那些跨越裂缝的信号线，他们的回流电流必须从两种地的互连线上返回，构成了面积很大的回路。

如果跨越裂缝的是数字电路信号，甚至是周期性信号，则会产生很强的辐射发射。

如果是模拟信号，则会对外界的骚扰十分敏感。这种外界的骚扰可能来自空间的电磁场，包括ESD产生的辐射电磁场，也可能来自机箱内其他电路的骚扰，使设备的自兼容性变差。

并且，这样做，貌似减小了数字电路与模拟电路之间的耦合，实际上由于较大的回路面积，可能会增加两种电路之间的耦合。

大家对裂缝的危害已经有了充分的认识，在设计PCB时，要尽量避免地线面上的裂缝。

那么，如果由于过去没有注意到这个问题，PCB板上已经出现了这个问题，或者不可避免的形成了裂缝，应该怎样处理这个问题呢？

简单的思路就是，既然裂缝阻断了电流的路径，我们再给它建造一个不是就行了吗？

具体实现的方法是，在跨越裂缝的信号线旁边连接一个导线，使地线电流能够不间断地流通。

左图，是一个对即成的裂缝的处理方法。在跨越裂缝的信号线旁边连接了一根短路线，这根短路线保持了地线电流的连续。

如果出于某种原因，不能将两部分地线直接用短路线连接起来，也可以用电容将裂缝连接起来，因为我们这里关心的主要是高频信号。

对于设计阶段的产品，可以在裂缝上设置一个“桥”，也就是将两部分地线连接起来的敷铜轨线，然后，使所有需要跨越裂缝的信号线从这个桥上走过，就避免了地线电流不连续的问题。

前面我们从理论上论述了地线上的裂缝对辐射和敏感性的不良影响，以及消除这种不良影响的思路。这里通过一些示例加深对相关理论的理解。现在，我们通过一些实际的案例使大家加深认识。

左上图，是一个地线面上有裂缝时的辐射情况。左下图是在信号线跨越裂缝的部位，用电容将这个裂缝连接起来后的辐射情况。可以看到辐射强度明显降低，尤其是高频端，降低十分明显。

右上图是一块线路板，将数字地与模拟地完全分开时的辐射情况。将数字地与模拟地分开在现实中是很常见的情况。右下图是将数字地与模拟地通过九个点连接起来的情况。可以看到，辐射明显降低。这里不仅是因为将数字地与模拟地连接起来减小了信号的回路面积，而且还降低了地线上的噪声电压，这对于减小共模辐射十分有益。

关于数字地与模拟地的处理，是很多设计师关心的问题。大部分关于电磁兼容性设计的资料中推荐将两种地完全分离的设计方法。这是基于将两种电路的地线电流分开，避免发生相互影响，主要是避免数字电路的地线电流在模拟地上产生噪声电压，影响模拟电路的工作。

其实，在现实中不用机械地遵守这个原则。根据前面关于地线电流实际路径的分析，数字电路的高频电流仅会集中在数字电路的附近，不会扩散到较远的区域。因此，只要做好布局，使数字电路与模拟电路在布局上截然分开，即使地线连成一片，也没有关系。

前面我们介绍了一种隐藏的裂缝，这就是信号线换层时，如果信号线以不同的地线层作为回流路径，则地线电流也要换层，这样，两层地线之间就类似于裂缝。

图中画出了这种情况。

这是一个四层板的情况，上下两层是信号线层，中间两层分别是电源线层和地线层。

信号线在上层时，回流电流在电源层上，信号线在下层时，回流电流在地线层上。

当信号线从上层换到下层时，回流电流如果不能顺利从地线层换到电源线层，就会发生前面所述的一些裂缝导致的危害。

信号线变层是不可避免的，大家一定关心：应该怎样处理这种情况呢？

信号线变层时，类似于信号线跨过裂缝。避免这种情况所带来的不良影响，我们的思路就是，为信号线提供一个伴随的回流电流路径。

具体说，就是在信号线换层的金属化过孔旁边，设置一个连接两层地线的电流路径。

图中是一个六层PCB的情况，信号线在顶层时，以第二层作为回流路径，在底层时，以第五层作为回流路径。

当信号线从顶层换到了底层时，我们在第二层（地线）与第五层（地线）之间做了一个金属化孔，伴随着信号线换层，这样就解决了问题。

大家可能会提出疑问，如果信号回流线从地线层换到电源层，例如，在四层板中的情况，不允许将电源线层与底线层短路起来，怎么办呢。

这是，可以用一个电容进行连接。具体在PCB上怎样实现，请读者思考一下。

分析下面是三种数字地/模拟地的处理情况的优劣。

(a)数字地与模拟地连成一片

(b)两种地分开，两种电路之间的信号连线按照走线最短的原则布线；

(c)两种地分开，两种电路之间的信号连线没有走最短路径；