博客作者：Dario Fresu

為電磁兼容性（EMC）設計印刷電路板（PCB）時，需要從電磁場和電流的角度深入理解信號傳播。這些概念之所以重要，是因為它們幫助我們設計出電磁場輻射低、對外部輻射或干擾敏感度低的 PCB。

在“掌握 PCB 設計中的 EMI 控制” 系列的第一篇文章中，我們將深入探討這些概念，并了解如何將其應用于印刷電路板設計。

傳輸線中的信號傳播概念

思考信號在 PCB 中的傳播方式時，需要從 “水流過管道” 的類比思維，轉變?yōu)榛陔姶艌龊蛡鬏斁€的思維。傳輸線是一種旨在以約束電磁場的形式將能量從一點傳遞到另一點的結構。在印刷電路板中，傳輸線至少由兩個導體構成 —— 這兩個導體在約束電磁場并將其從電路中的一點引導到另一點方面同等重要。如果缺少其中一個導體，組成信號的電磁場將無法被約束，這些場的擴散可能導致 EMC 測試失敗。

由此引出一個非常重要的概念：電磁信號并不包含在導體內部，而是存在于兩個導體之間的電介質及其周圍空間中。從 EMC 角度看，我們的目標是最大化兩個導體之間的約束電磁場，并減少其周圍的電磁場。

圖 1：PCB 中數(shù)字信號傳播示意圖

在 PCB 中，用于信號傳播的兩個導體分別是信號電位導體和返回與參考電位導體。最直觀的例子是兩層板：頂層連接信號源，用于布設信號走線；底層是實心銅層，既連接信號源，也連接到信號電位參考（見圖 1）。我們所謂的 “信號”，實際上是這兩個導體之間的電磁場 —— 這意味著信號并非存在于單一導體中，而是兩個導體之間電介質中的電磁能量。這也表明，電介質材料的特性會影響信號傳播，尤其是對信號（或電磁波）傳播速度的影響，即光在電介質中的速度。兩個導體之間會存在信號已到達的點和未到達的點。在數(shù)字信號中，信號區(qū)域與無信號區(qū)域之間的過渡點稱為信號邊沿或信號波前，這是數(shù)字信號中邏輯電平從低到高的過渡點。

從 EMC 角度看，這一過渡點極為關鍵，因為它是導體之間電場和磁場從低到高變化的位置。能量狀態(tài)變化越快，即信號從低邏輯電平到高邏輯電平的轉換速度越快，短時間內壓縮的能量變化就越大。當信號在傳輸線中從源端向目的端傳播時，信號波前或信號邊沿引導信號的傳播。

正向電流、返回電流與位移電流

另一個重要概念是：當信號邊沿傳播時，由于前沿是電磁場的變化，這會在兩個導體之間的電介質中產(chǎn)生位移電流。這一現(xiàn)象由奧利弗?亥維賽總結的麥克斯韋方程組（尤其是安培 - 麥克斯韋定律）解釋。最直觀的理解方式是想象交流電源作用于電容器時的電流流動（見圖 2）。

圖 2：電容器（a）未加電場（b）施加正向電場（c）施加負向電場

實際上，電容器極板與電介質之間不存在傳導電流，但電介質中的束縛電荷會隨極板施加的電場發(fā)生極化（位移），這看起來就像傳導電流流過了電容器極板。位移電流的概念之所以重要，是因為它解釋了信號傳播過程中，尤其是到達負載之前，電流如何形成。經(jīng)典電路理論指出，電流總是以回路形式流動。那么，為何信號在到達負載之前，即尚未建立從源端到負載再返回源端的連續(xù)傳導電流回路時，就存在電流？這正是由于位移電流的存在，它使電流在信號傳播時仍能以回路形式流動。如果僅有傳導電流而沒有位移電流，信號將無法傳播 —— 因為僅由傳導電流構成的電流回路在到達負載前無法閉合，這意味著傳導電流必須流過電介質，而這從定義上是不可能的。但借助位移電流這一 “視在電流”，回路會隨信號傳播瞬間閉合。

傳導電流與位移電流的結合，形成了隨信號邊沿傳播的電流回路。如圖 3 所示，該電流回路可分為三部分：

圖 3：電流回路與位移電流

正向電流：沿信號方向在頂層導體中流向負載。

返回電流：沿信號反方向在底層導體中流回源端。

位移電流：通過 “流經(jīng)” 導體之間的電介質并跟隨信號邊沿，橋接電流的另外兩部分。

約束信號能量以控制 EMI

管理導體間電磁場的約束并控制電流路徑，對于設計不僅性能優(yōu)異、而且電磁兼容性和信號完整性出色的 PCB 至關重要（見圖 4）。

圖 4：使用 Altium Designer 3D 查看器的先進 PCB 設計示例

這種方法使我們能夠從源頭控制輻射，并避免設計允許外部干擾耦合的 PCB 結構。

在本系列的下一篇文章中，我們將討論如何通過優(yōu)化元件布局有效降低 EMI。

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