通过EMI合规性测试——第5部分:关于精密模拟、屏蔽和热管理的进阶考量
出处:网络整理 发布于:2026-08-21 16:26:21
精密/高精度模拟电路
就精密或高精度模拟电路而言(暂且不提全差分信号链这一“捷径”),接地保真度是实现模拟精度的关键因素。低频电流总是沿能量路径回流至源头,因此任何以地为回路的耗电电路都会在低频下产生地电位梯度(及噪声)。例如,对于方阻为0.5mΩ/平方的1盎司铜平面:PCB上一个正方形区域内的100mA回流电流会产生0.5mΩ × 0.1A = 50?V的压降。对于精密测量而言,此偏置电压相当可观。元器件位置对此问题影响显著。减小此类误差的方法多种多样,包括优化元器件布局、使回流电流经负电源而非地平面返回、用接地树替代信号走线的接地平面、在地平面上开槽以引导地电流,或采用板级差分信号传输。
屏蔽、防护与静电
接下来要介绍的主题适用于任何手持式PCB或与外部有电缆连接的PCB。其在于如何在一定距离上连接两个接地系统。正是这段空间或距离提供了额外的耦合途径,使得远距离信号传输变得困难。图1展示了这一问题。
相距较远的第二个接地系统很可能与PCB接地系统电位不同。造成此现象的原因不止一个。
雷电
假设两个系统接地相连且相隔一定距离。再假设每个接地系统均与大地存在连接(直接连接或电容耦合)。,将大地视为构成完整回路的终导体(见图1)。根据法拉第定律,附近的雷击可在该大型闭合回路中感应出电压,从而在地环路中产生感应电压。
设备的接地电流
所有布局不完善的设备都可能将电流耦合至机壳地。这种耦合电流的回流路径可能导致相距较远的接地点之间产生压降。这是地环路电流的第二个成因。
共模电流
在隔离系统中,与上述设备电流相关,跨越隔离栅耦合的电流可能导致相距较远的接地点之间产生压降。这是地环路电流的第三个成因。
屏蔽是解决上述所有问题的有效方案。图1展示了两个接地系统间正确屏蔽的连接方式。该方案并未消除接地系统间的电流流动,而是将电流引导至不影响模拟功能或测量的路径上。
防护是与屏蔽密切相关的一个主题。防护的目的是防止交流或直流信号耦合至敏感PCB走线或特定电缆导体。具体做法是用第二根导体包围敏感导体,由被防护网络处测得的电压的缓冲来驱动。当该导体与外部环境之间无电压差时,便不会产生耦合电流。

PCB中的热传导
如果不讨论热传导对模拟性能的影响,本文的内容就不够完整。这方面的主题不仅限于将元器件和PCB保持在合理温度范围内。
显而易见,每个设计都需要有效的散热途径。即使是功耗的设计,若无法排出热能,也会因热量积聚而失效。幸运的是,为抑制干扰而布设的低阻抗电源和地平面含有大量导热铜箔。这些铜箔可将热能均匀分散至整个PCB以便辐射散热。以此方式利用铜箔还能减小PCB上的温度梯度,从而缓解精密模拟电路中更严重的问题:热电效应产生的偏置电压。注意,在模拟电路中,尤其针对敏感硅器件和精密电阻,可能需专门铺设铜平面以直接从信号线导出热能。此举必须在不损害信号/回流传输线保真度的前提下进行。同时,还应考虑工作环境或产品用途对温度的影响;根据具体应用场景,可能需考虑极宽的温度范围(涉及产品工作温度规格)。
温度梯度是下一个关注重点,因为温度梯度可能通过热电效应直接产生电压,从而影响精密模拟电路精度。任何异种金属结都可能因塞贝克效应和汤姆逊效应(本质上是热电偶)产生热电压。当导体两端温度不同时,塞贝克效应和汤姆逊效应会在导体长度方向上产生电压。由于不同金属导热速率不同,各类导体产生的电压也各异。PCB上极易发生此现象,因为元器件内部导体、焊料、连接器引脚及PCB走线均由不同金属制成。若电路对微伏级信号敏感,便会出现此类误差。消除方法是减少点热源,或设计热传导路径使其不影响敏感模拟信号通路。可通过开槽和铺设铜平面来引导和定向热能。铜平面将热能安全导离敏感区域,而槽位则阻断热能传递。
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