如何在PCB上优化EMC性能：0V参考面措施详解

有时把一个设计良好的0V参考面称之为一个大地或地平面（虽然它与安全大地或安全地完全基本无关）。在不断使用更为先进的芯片缩小技术，以及它们所处理信号波形的上升和下降时间不断在缩短的今天，上面提及的这样一个设计良好的0V参考面正日益变为我们设计的关注所在。由于相同的原因，同时还要求我们的设计中具有一个良好的电源参考面。

数字器件的数据手册通常仅仅为我们提供信号的最大上升和下降时间（假如数据手册包括有这些信息的话），这样就会允许IC的制造厂商把他们的器件转换到更先进的，尺寸更小的芯片制造工艺流程中进行生产时，而无需对产品数据进行任何修改。特别是掩模收缩或芯片缩小技术的不断采会为制造厂商节省大量的资金，但却潜在的会给他们用户的产品带来巨大的EMC问题。每次在微处理器供应商完成一次新的芯片缩小生产工艺后，产品和设备制造厂商会不得不花费数以百万美元计的费用来重新设计已存在产品，以保持EMC符合法规或指令要求。

像74HC这类已经具有大约20年历史的胶合逻辑系列器件，它们原先形成的有影响发射频率最高也就是在200MHz左右而已。现今，来自相同的制造厂商的相同型号的这类器件，所引起问题的发射频率发现已可高达900MHz。这使得使用这些器件的制造厂商每隔几年就要对他们仍在生产的“老”产品进行复测，以确保产品仍符合EMC性能要求的做法变得越来越重要了。信号边沿速率继续增快和使用频率不断上升的这种状况，至少在今后的10～15年之内不会有任何减缓的趋势。

在一个PCB上（或PCB中），一个理想的参考面是一个完整的实心铜质薄板。它绝对不是一个“铜质充填”或“地网络”（请参阅后面的讨论）。

可惜的是，在实际应用中，想要在不采用“高密度互连接技术”（HDI）PCB生产工艺的情况下，获得没有一些孔洞的完整平面是不可能的（HDI也经常被称之为微化孔技术。请参阅本章的3.5节“高密度互连接、堆焊和微化孔PCB技术的优点”的讨论）。本章将就如何利用PCB参考面获得最佳EMC性能展开讨论。尽管典型的现代PCB生产技术还存着某些不尽人意地限制。比如，通孔（有时称之为过孔）镀敷技术（THP）就是这样的一种技术。它在PCB上打一个贯穿孔（有时称之为贯通孔），然后在其内壁镀敷上一层导电良好的金属，以便为PCB的顶部表面，底部表面和任何内部的铜质层面之间提供良好的电气搭接。

就单个技术而言，0V参考面明显的是一个可以用于PCB装配层次（或更高层次）上的，并具有最高性价比的EMC措施。可以毫不夸张地说，为了改善EMC性能，无论怎样强调在PCB上使用0V参考面的重要性都不会过分。当要求使用高级PCB EMC设计技术的场合，一个设计良好的0V参考面是绝对必要的。

平面（参考面）可以提供若干个非常有价值的EMC和信号完整性（SI）功能：

1）它们提供的是非常低的阻抗。这意味着在射频（RF）情况下，它们可以为器件和电路提供稳定的参考电压。

就导线或PCB线条而言，我们通常以每1mm长度具有1nH电感值来估算它们的阻抗。比如，按照上面的估算方法，每10mm长的导线或线条在1GHz频率时所应具有的感性阻抗为63Ω。因此，当我们需要从一个参考电压向各种器件提供高频电流时（正如日益增加的需要那样），我们需要使用一个平面来分布参考电压。(www.xing528.com)

2）在PCB上安装有容性滤波器的场合，为了在频率为几兆赫以上的情况下获得良好性能，平面提供的低阻抗返回通路是关键所在。请参阅本篇第1章的PCB的滤波器设计。

3）它们（平面）会促使RF电流沿着发射最低和最不敏感的通路返回。

当一个信号或电源电路中的返回RF电流在一个平面导体中形成通路时，它会沿着任何具有最低整体阻抗的通路流通。就是这个通路的存在，使得整个电流环路获得最低的电感值（环路电感）。同样也就是这个通路与发送通路间有着最高的电容值。这样既会把与DM电路有关的电磁场集中在一个较小的体积内，又降低了它们与其他结构和电磁环境的耦合度。所以降低了它们的共模发射和改善了电路敏感性。

4）它们相当于一个镜像面。因此，将为那些不那么靠近一个边界或一个裂缝的元件和线条提供了一定程度的屏蔽效应。

即便在镜像面与所关心的电路不相连接的情况下，它们仍然能提供屏蔽作用。例如，一个线条与一个大平面上部的中心距为1mm，由于镜像面效应，在频率为100kHz以上时，它可以导致至少30dB的屏蔽效果。元件或线条距离平面越近，屏蔽效果就会越好。所以扁平状的表面安装元件会导致较好的EMC性能。

5）当频率处在它们是以RF搭接到平面上的范围时，它们降低了来自于PCB上电路相连接电缆的CM发射。这个问题已在本篇第2章中提及过。所谓与一个平面的RF搭接，既可以是指在导体和平面之间的一个直接搭接，也可以是指一个容性搭接。而且搭接点就位于由平面所覆盖着的导体离开该区域的那一点上。在导体携载信号的情况下，搭接电容器的电容值要小到以不会损害信号完整性为原则。

简单地从一个外部导体把电容连接到一个PCB参考面的做法，将导致外部噪声电流在平面中流通。并增加了来自外部驱动器的RF电流。这些增加的RF噪声电流在平面中的流动将会增加平面上不甚完好地方上的噪声电压（正如在实际应用中那样，比如在贯穿孔周围存在着净空间的情况）。因此，为了使PCB的EMC性能最佳化，通常都会在这些RF搭接电容的一端或两端上串联有电阻或软性铁氧体。请参阅本篇第1章中所讨论过的信号和电源导体进入一个PCB中时有关滤波的EMC设计问题。

本章的目的不是要描述PCB参考面理论。但读者若有兴趣和需要，多个文献已为上列几点提供了非常有用的参考，并且它们还涉及许多有关的数学推导。