1.6 EMI的源头设计策略

影响PCB和封装EMI及宏观EMC的源头有两个：1）PDN上的高频噪声，尤其是电源/地平面之间的高频电源噪声；2）高速信号回路。这两点都与PDN的设计密切相关，如果能够通过设计严格控制或抑制PDN的电源噪声，就可以大幅度减小由电源噪声引起的电磁辐射。通过恰当设计高速信号的返回路径使其紧邻信号路径分布，使得形成的回路面积最小，保持电流通路的阻抗连续不变，从而可以减小潜在的辐射威胁。在此简单讨论高速信号回路，后面的章节将给出更详细的分析。

前一节提到电源/地平面为所有信号提供了返回路径，在高速设计中必须使得传输线的阻抗突变控制在一定范围内，以至于不造成SI和EMI问题。当高速走线经过带有开槽的参考平面或是经由过孔切换到其他参考平面时，由于返回路径被强制流向离信号路径较远的地方，导致回路面积增大，进而导致辐射增强。EMI的控制应该从EMI源头、传播路径和敏感电路3方面着手。

由于电磁辐射的强度与频率成正比，减小信号的边沿率能降低造成的辐射。因此在设计中应该选择满足系统性能指标的速度最低器件，采用边沿控制器件能在一定程度上减缓EMI问题。另外，采用小电流信令标准和差分信令都能改善EMI。对于传输路径而言，应尽量减少传输线的不连续，使返回路径紧邻信号路径分布。如采用匹配传输线、避免信号横跨凹槽等。对于敏感电路而言，常见的措施就是电源/地隔离、增加去耦电容器和电磁屏蔽，切断电磁场的传播路径。此外，在EMI源头也可以进行屏蔽，防止电磁场辐射到外界环境。在EMI的分析和设计中，一个重要原理就是互易原理——从互易天线的概念出发，能够辐射电磁场的电流回路同样也会受到外界电磁场的干扰（即接收电磁辐射）。因此，一个不易辐射的回路同样也对外界电磁干扰不敏感。

与PDN设计相关最紧密的辐射源就是电源/地平面对。当信号切换参考平面时，整个电源/地平面对构成了返回路径，高速切换的返回电流将注入到电源/地平面对中。由于电源/地平面对形成了一个平面谐振腔，因此具有固有的谐振频率。当信号的频率分量落在平面对的谐振频率上时，平面谐振腔就会被激励，从而产生谐振。在谐振频率上，由电源/地平面产生的电磁辐射是最严重的。减小这种辐射是PDN设计的一个重要内容，前面提到的多种噪声抑制方法就是为了减小该辐射。但是，电源/地平面带来了更多的好处：首先，电源/地平面为高速电路提供了返回路径，使得传输线设计成为可能；其次，电源/地平面能有效控制信号的回路面积和提供良好的电磁屏蔽，进而有效地控制EMI；再次，就是它提供了性能优异的电荷传输和交换平台。实践已经证明，采用电源/地平面的利远远大于弊。而且在高速场合，必须采用电源/地平面才能获得高性能。利用电源/地平面可以有效控制高速电流回路的面积，获得对环境不敏感的鲁棒电子系统。

上一节和本节从基本原理上阐明了PDN的设计与SI和EMI的紧密相关性。有关SI和EMI的具体分析与设计在本书均有重点讨论。所有这些有关SI和EMI的讨论都能采用上一节和本节讨论的基本原理加以分析。只有将这些现象与本质加以关联，才能找到分析和解决问题的根本办法。

然而，对于PDN自身的功率传输而言，其设计与噪声管理要远比SI和EMI复杂。这是由于PDN互连结构庞大而且很不规则，连接的元器件数量惊人所致。虽然PDN中的电流流动依然遵守1.5节提到的基本电路定律，但其分析与设计并不像前面那么容易操控。有很多问题在学术界尚存在争议，尤其是去耦网络的分析与设计。PDN功率传输以及噪声耦合的问题已经成为当今高速设计的重点与难点，本书将重点讨论这些问题。

本书后面将系统地讨论高速数字系统设计的3个方面——信号完整性、电源完整性和电磁完整性。在讨论过程中始终都体现三者的互相联系和协同分析与设计，重点在于培养读者的电路直觉感悟能力。