小型PCB设计团队该如何解决高速设计挑战

对于 PCB 设计工程师和小型团队而言，解决 SI（信号完整性）和EMI（电磁干扰）相关问题是一项每天都要面对的挑战。为确定并解决 PCB 设计流程期间面临的 Layout 挑战，许多工程师都要依赖基于规则的复杂检查。通过使用设计规则检查 (DRC)，可以避免辐射测试失败或信号完整性相关故障等最终产品问题。

一、电磁干扰

电磁干扰简称为 EMI，这种干扰可能降低电气电路的性能，使其无法正常工作，严重时还会导致电路完全不能工作。PCB上的 EMI 是由走线、过孔和连接器等电路元件引起的意外辐射所致。因此，如果未针对有害辐射的消除进行妥善设计，则高速 PCB 设计就很容易产生 EMI 问题。

二、导致PCB中的EMI的常见原因

返回路径的意外中断是常见的 EMI 问题。在高频状态下，沿着走线传输的信号会遍历通过走线耦合到参考平面的电磁场。此参考平面充当电流返回路径，并形成闭合的电流路径。如果此闭合电流路径被中断或断开，就会产生辐射，进而导致 EMI 问题。典型的中断返回路径情况示例包括网络跨越平面分割、网络靠近平面边缘以及参考平面变化。

1、网络跨越平面分割

亦称为跨越平面分割的走线或跨越平面分割的信号。当走线的返回路径（即在其参考平面上）被分割时，就会产生网络跨越平面分割，因此中断了返回路径。该分割可能是一个平面上的空洞，也可能是两个电源孤岛之间的缝隙。理想情况下，所有高速信号都应该参考完整接地平面。但如果发生分割，则应该使用缝合电容器以形成跨分割的交流路径。

2、网络靠近平面边缘

如果高速信号走线靠近其参考平面的边缘，电磁场将会环绕边缘并辐射出一些能量。发生这种辐射的常见实例包括走线过于靠近电路板边缘、走线过于靠近参考平面上的大空隙等。

3、参考平面变化

信号经过孔从一层到另一层时，可能导致信号的返回路径发生变化，进而形成更为复杂的闭合电流路径。流经不同层的电流会耦合（或参考）到不同平面。在这些不同参考平面上的回流电流也必须为连续的，否则，整个电流回路就会中断或断开，从而使PCB产生 EMI 问题。

为确保电流路径处于闭合状态，就必须为回流电流提供连续路径：如果参考平面从电源平面改为接地平面，则需要一个或多个缝合电容器；如果参考平面变化发生在接地平面（或相同电压平面）之间，则需要一个或多个缝合孔。孤立的金属区域也是导致 EMI问题的常见意外干扰源，其通常是留在 PCB 设计中的多余的孤立金属区域。

4、过孔残留分支

过孔残留分支是过孔或过孔的一部分，其焊盘已被移除并且没有连接到任何层，因此过孔残留分支并非串接在信号流中。但在制造过程中的钻孔和电镀，可能会产生过孔残留分支，从而形成了孤立的金属区域。在PCB高速设计中，较长的过孔残留分支可以变成天线并发射能量。

5、金属孤岛

金属孤岛是电路板上的一块孤立的金属浮铜区域，可以变成天线发射能量，从而导致 EMI 问题。金属孤岛两端应该与过孔正确连接以避免辐射。

三、PCB中的信号完整性问题的常见原因

1、串扰耦合

信号布线如果彼此靠近，则在发生边缘转换时会产生能量耦合。在密集的电路板上，不可避免地存在以最小走线间距进行信号布线的区域。彼此靠近的走线长度越长，耦合幅值就越大。在 Layout 清理阶段增加这类紧密耦合的走线之间的间距可以最大限度地减少串扰量。

2、差分阻抗

差分对只有在沿布线路径保持走线间距时才能维持其特性阻抗。在 Layout 期间，由于违反规则或疏忽大意的原因，差分对之间的走线间距有时可能会发生变化。如果出