PCB设计的EMC相关问题

每个系统和电路设计都是在尺寸、重量、功率、可靠性、性能和许多其他参数之间进行权衡取舍。毕竟，这就是工程设计的主要内容，通过经验和判断所产生的硬数字和分析的组合来评估、平衡和执行权衡。

在某些情况下，到目前为止，一个或几个目标可能具有最关键的权重，因此可能会在某种程度上牺牲其他目标来满足那些最重要的目标。在其他情况下，权衡和选择之间的加权和平衡是一个更具反思性和迭代性的过程：“如果将传感器精度提高 15%，我们是否应该放弃 5% 的运行时间？”是一种软判断问题这通常很难量化，也更难回答。当然，许多设计目标只是：一些必须实现的理想目标，而另一些则是设计努力实现的目标，但不是绝对的“必须拥有”。

其中必须具备的是各种监管和标准组织机构（政府和行业）制定的许多 EMC、效率和安全要求。与有一些让步的性能目标不同，其中许多要求是绝对的：要么满足它们，要么设计将不会获得批准和认证。除了您选择满足其中一些的特定方法和策略之外，它们几乎没有“回旋余地”或权衡区域。

我在完成 In Compliance 发布的由十部分系列“评估带有电源转换器的 1 层和 2 层 PCB 的 EMC 辐射和接地技术”的最后一部分时想到了这个问题（最后一部分链接到所有九个部分）前几部分）。该系列详细介绍了与 EMC 可接受的设计相关的许多性能和授权相关问题，以及一些相关的接地考虑（图 1）。

图 1：必须同时从热、配电和 EMC 域以及其他角度查看和评估电路板。（图片来源：Electronic Concepts and Engineering， Inc.；Open Airbus Cockpit；ResearchGate）。

阅读这个系列文章既令人振奋又令人沮丧。之所以是前者，是因为它显示了三位作者在理论、实践、测量等方面的理解和解释程度。利用这种洞察力，设计人员应该有更好的机会设计电源、接地和 DC/DC 开关稳压器的布局，以满足系统性能需求并通过认证。到现在为止还挺好。

但这篇文章也让我担心：它让我更加意识到对设计的许多期望，进而对设计团队的期望。有很多最佳实践和经常相互矛盾的指导原则需要遵守，而且在做好事也会产生负面影响的情况下，有很多权衡取舍。其中一些命令是由物理定律和麦克斯韦方程定义的，而其他命令则是由善意的监管合规标准定义的。在许多情况下，您需要一位合规专家来指导您完成并超越令人眼花缭乱的标准。

上面引用的文章涉及相对简单的单面和双面 PC 板，但现在许多设计都在具有四层、八层和更多层的板上。在某些方面，提供额外的层可以更容易地满足 EMC 和接地要求，因为接地层和其他好东西有更多的自由度；在其他方面，拥有它们会使设计复杂化，因为信号路由和电流、发射源和发射敏感拾取点的路径要多得多。

当然，这些天我们正在询问很多电路和电路板设计。我们通常使用中等尺寸的电路板来处理数十和数百安培的电流，这必然会带来 IR 压降和连接电阻问题。此外，几乎所有的电源电流都会转化为热量，因此将所有热量散发到那个被称为“远离”的神奇、神秘的地方存在热量问题。

在某些时候，我担心我们会用完运行空间。对 PC 板设计提出的多种要求（直流电气、信号完整性、EMC、热、隔离、爬电距离/间隙）将产生零设置，或者需要对功率水平、电路密度、热密度、EMC 性能进行严重妥协，大小……这是一个很长的列表。

当然，认为我们已经达到了我们可以交付的极限并且我们不能走得更远，这在工程中并不是什么新鲜事。不知何故，我们找到了一种通过新材料、技术、组件和其他创新来克服它的方法。毕竟，这就是摩尔在每个主要节点上的“定律”（一个聪明而有先见之明的假设，但不是定律，抱歉）的故事。也许工程的必要性有点像塞缪尔贝克特在他 1953 年的小说《无名之辈》结尾所写的那样：“……你必须继续。我不能继续。我会继续的。” 或者这可能是塞缪尔·C·弗洛曼 （Samuel C. Florman） 在他的书“工程存在的乐趣”（The Existential Pleasures of Engineering） 中所指的内容。

尽管如此，在某些时候，还是需要激进的新方法。目前，我没有看到任何此类突破，也没有看到设计师停止尝试在这些 PC 板上安装更多组件和更高频率的更多功能和耗散。或许PC板路有一个三叉叉：一条路通向死胡同，我们停下；中间道路是一种缓慢、稳定、渐进的进步；最后的路径是某种革命性的方法，例如转向低功耗且没有 EMC 问题的全集成光学器件。

您对电路板设计情况有何看法？我们是否正在渐近地接近我们可以通过该技术实现的极限？未来的道路会​​不会是通过一系列小步骤而取得的稳步进展？或者我们还没有看清楚的一些突破性技术是否会改变整个情况并实现重大进步，就像从手工放置组件和手工布线电路到拾放和 PC 板的过渡一样？