1.2.5 技术沉淀
1．设计规则
（1）布局走线及叠层设计的基本要求
① 地线和电源线上的设计。
图1-22 典型门电路输出级
图 1-22 所示是一个典型门电路输出级，当输出为高时，VT3 导通，VT4 截止；当输出为低时，VT3 截止，VT4 导通。在开、关的过程中，电源线口会产生尖峰电流。由于电源线上总是有不同程度的电感，因此当发生电流突变时，会产生感应电压，这就是电源线上的噪声。电源线阻抗的存在，也会造成电压的暂时跌落。
在电源线产生上述尖峰电流的同时，地线上必然也流过这个电流，特别是当输出从高变为低时，寄生电容要放电，地线上的峰值电流更大（这与电源线上的情况正好相反，电源线上的峰值电流在输出从低变为高时更大）。地线总是有不同程度的电感，因此能够感应电压，这就是地线噪声。
地线和电源线上的噪声电压不仅会造成电路工作异常，而且会产生较强的电磁辐射。
线路板电源输入口的滤波电路应靠近接口放置，避免已经滤波的线路被再次耦合。
② 局部电源和 IC 去耦。
局部的去耦可以减少沿电源线传播的干扰。每个 IC 的电源和地之间要加上去耦电容，且尽可能靠近 IC 引脚，这样有助于过滤从 IC 出来的开关噪声。
电源走线附近必须有地线与其紧邻且平行走线，以减小电源电流回路面积。
③ 基准面的 RF 电流回路。
不管是多层板还是单层板，电流的回路总是从负载回到电源。PCB 的回路阻抗越低，其电磁兼容性越好。因为从负载到电源的射频电流的影响，长的回路会产生互耦，回路越长，影响越大。特别是高频信号和敏感信号的回路，其面积越小越好。
布线层的投影平面应该在其回流平面层区域内，否则会导致边缘辐射问题，并且还会导致信号回路面积增大，差模辐射增大。
④ 多层板中的电源层和地线层。
在多层板中，最好将电源层和地线层邻近布置，因为这会在电源层上产生一个大的 PCB电容。高速信号和关键信号最好布置在邻近地层的信号层，非关键信号布置在靠近电源层的信号层。
电源平面相对其相邻地平面应内缩（建议值在 5 ～ 20H，H 指板厚）。电源平面相对其回流地平面内缩可以有效抑制边缘辐射问题。
（2）元器件布局设计
① 按照元器件的功能和类型来进行布局。
对于功能相同或相近的元器件，将其放置在一个区域则有利于减小它们之间的布线长度，便于参考回流的优化处理和得到最小的环路面积，而且还能防止不同功能的元器件之间相互干扰。
② 按照电源类型进行布局。
这是布局中最重要的一点，电源类型包括数字电路和模拟电路。按照不同电压、不同电路类型，将他们分开布局，这样有利于最后地平面的分割。数字地平面紧贴在数字电路下方，模拟地平面紧贴在模拟电路下方，这样有利于信号的回流和两种地平面之间的稳定，信号线跨越分割地，同时走线下要有地桥以减小回流。
③ 关于共地点和转换器的放置。
电路中很可能存在跨地信号，如果不采取措施，就很可能导致信号无法回流，产生大量的共模和差模 EMI。所以，布局时要尽量减少这种情况的发生，而对于非走不可的线路，可以考虑给模拟地平面和数字地平面选择一个共地点，提供跨地信号的回流路径。电路中有时还存在 ADC（Analog to Digital Converter，模拟数字转换器）或 DAC（Digital to Analog Converter，数字模拟转换器），这些转换器件同时由模拟电源和数字电源供电，因此要将转换器放置在模拟电源和数字电源之间。
（3） 走线设计
保证所有的信号尤其是高频信号，尽可能靠近 GND 平面（或其他参考平面）。一般超过25MHz 的 PCB 在设计时要考虑两层或多层地层。
细节要求如下。
① 将时钟信号尽量布置在两层参考平面之间的信号层，良好屏蔽干扰信号。
② 保证地平面上不要有人为产生的隔断及回流的断槽，否则容易产生空间辐射场强。
③ 在高频器件周围，多放置旁路电容来去耦合。
④ 信号走线时尽量不要换层，即使换层，也要保证其回路的参考平面一样。
⑤ 在信号换层的过孔附近放置一定的连接地平面的过孔或旁路电容。
⑥ 在一些重要的信号线周围可以加上保护的地线，以起到隔离和屏蔽的作用。
⑦ 保证跨地信号的回流面积最小。
⑧ PCB 上的地线不要形成一个大环，否则容易增强不必要的辐射。
⑨ 有些零散的地平面要用多个过孔将其与其他的大面积地平面连接起来。
⑩ 不同层的地平面每隔一定距离要用过孔连接。
⑪地平面尽量完整，元器件尽量放置在同一层，增大地平面的面积。
⑫对于高速信号，参考层如果有跳跃，则不能保证信号完整性，需要在信号层两边做包地处理，并尽量使地线和信号线平行进入 IC。
⑬ 多层 PCB 的电源线尽量不要走表层，特别是在空间比较拥挤、高速信号集中的板中。
⑭ 以上细节如果没有做好，则有可能使 EMI 问题恶化。
（4）屏蔽设计
主板主控平台芯片、Wi-Fi 芯片等处应增加屏蔽罩屏蔽，主 IC 位置开口尺寸、开口位置是否需要增加导电泡棉屏蔽需与射频工程师确认，屏蔽罩拆件设计如图 1-23 所示。
图1-23 屏蔽罩拆件设计
屏蔽罩有一件式和两件式两种设计方案。
① 一件式设计是指直接将一个屏蔽盖焊接到 PCB 上，为了确保焊接效果，材料一般采用洋白铜（型号 C7521R-H）。消费电子行业内，低端产品在降低成本时，有时将屏蔽罩材料改用马口铁，但马口铁的抗氧化性差，无法通过盐雾试验，天猫精灵产品未采用。
② 两件式设计如图 1-24 所示。屏蔽罩下方是屏蔽框，它贴片焊接在 PCB 上，材料采用洋白铜（型号 C7521R-H）；屏蔽罩上方是屏蔽盖，它与屏蔽框配合在一起，材料采用不锈钢板材（型号 SUS304，1/2H；常选用厚度为 0.1mm 的不锈钢板材）。
图 1-24 两件式设计
屏蔽罩一件式与两件式方案对比如表 1-3 所示。
屏蔽罩配合设计要点如下。
① 屏蔽框和屏蔽盖四周的间隙均为 0.05mm；上、下需要预留 0.03 ～ 0.05mm 的间隙，避免屏蔽框孔位下移而导致屏蔽盖扣不到位。
② 屏蔽框上的装配通孔直径一般为 0.6mm，屏蔽盖凸点内侧壁直径为 0.7mm，凸出内侧壁高度为 0.15mm。
③ 屏蔽框和屏蔽盖必须设计扣点，单边至少设计一处扣点，相邻扣点建议在 5 ～ 8mm，扣点必须为通孔。
天猫精灵出于科技普惠的理念，大部分采用一件式设计。
2．EMI整改方法
（1） EMI 整改思路
首先分析频点。观察哪些频点是已知器件发出的，例如 DDR（Double Data Rate，双倍数据速率）同步动态随机存储器的频率，MIPI 的频率，以及电源的开关频率等，与已知的器件频率相匹配。
其次精确定位。确定是辐射从哪个器件及哪根线或铜皮上发出去的，先使用频谱仪近场探头进行区域确定，将造成 EMI 频点超标的大致频率区域确定出来后，再到半波暗室中进一步定位。
最后在已定位的频率点对信号进行处理，包括降驱动、展频、增加 EMI 器件等措施。
（2）常见超标 EMI 频点
电源：小于 100MHz 宽带噪声。
DDR：基频及其倍频。
LVDS（Low-Voltage Differential Signaling，低电压差分信号）/V-BY-1：148.5MHz及其倍频。
HDMI（High Definition Multimedia Interface，高清多媒体接口）：148.5MHz/297MHz及其倍频。
USB2.0： 480MHz 及倍频。
USB3.0： 2.4GHz 及倍频。
（3）常用整改措施
① 频谱分析仪诊断。
频谱分析仪用于 EMI 诊断和分析，它可根据 EMI 测试结果校正测试数据，从而使频域结果可视化，配合近场探头就容易找到故障出现的位置。
如果没有找到明确的干扰源头，则使用环形探头较容易在单板找到该干扰源头所在的区域。如果要明确的定位干扰源头，则可以使用针式探头直接对该区域进行精确分析，找到该频点的发射源头，并且记录该频点的幅度。
为什么不用示波器？ EMI 测试标准中的极限值都是在频域中定义的，用频谱分析仪可以直接反应结果。示波器显示的是时域的波形，测试的结果无法直接与标准比较。EMI 干扰信号相对于工作信号幅度小，干扰频率较高，而一些幅度较小的高频信号叠加幅度较大的高频信号时，示波器无法测量。因为示波器的灵敏度在毫伏级，而由天线接收到的电磁干扰的幅度通常为微伏级。
图1-25 环形近场探头
环形近场探头如图 1-25 所示。如果使用自制探头，可以用普通电缆绕 2 ～ 3 圈，尺寸可取1 元硬币大小，也可以根据实际需要调整。使用时图 1-25 环形近场探头 注意，如果探头圆环太大，则不容易精准地找到干扰源，圆环稍小可以更好定位，但是不能太小，否则会影响探测灵敏度，遗漏干扰信号。
② SSC（Spread Spectrum Clock，展频）。
SSC 是一种常用的降低 EMI 的简单有效的方法，其效果如图 1-26 所示，将 CLK 信号中的能量以受控的方式分布在更宽的频带，可以降低峰值振幅频谱的主频和时钟的谐波辐射。若正弦信号频率 FC 被另一个正弦信号频率 FM（调制频偏）以最大频偏率差 ∆f 来进行频率调制，那么被调制信号的频谱就会由载波频率和频带范围内以 FM 为间隔的边带组成。
扩频率是最大偏频率差（∆f）与原始 CLK 频率（FC）的比值。
扩频类型包括向上扩频、中心扩频及向下扩频。当采用向上扩频或中心扩频时，有可能产生超频现象，在 DDR 展频时需要注意最大频率不能超过规格。
图1-26 展频与未展频的效果对比
调制率用于确定 CLK 频率扩展周期率，在该周期内 CLK 频率变化并返回到初始频率。调制波形代表 CLK 频率随时间的变化曲线。一般频率在 30 ～ 60kHz，太低会有音频噪声，太高可能会造成信号时序与跟踪问题，影响系统运行的可靠性。
③ 接地。
接地为电流流回其源提供一条低阻抗通路。一般有单点接地、多点接地、混合接地三种接地方式。
单点接地。工作频率低（小于 1MHz）的电路采用单点接地式（即把整个电路系统中的一个结构点看作接地参考点，所有对地连接都接到这一点上，并设置一个安全接地螺栓）。多个电路的单点接地方式又分为串联和并联两种，由于串联接地会产生共地阻抗的电路性耦合，因此低频电路最好采用并联的单点接地式。
多点接地。工作频率高（大于 30MHz）的电路采用多点接地式（即在该电路系统中，用一块接地平板代替电路中每部分各自的地回路）。因为接地引线的感抗与频率和引线长度成正比，工作频率高时共地阻抗就会增大，共地阻抗产生的电磁干扰也将增大，所以要求地线的长度尽量短。采用多点接地时，尽量使距离接地点最近的低阻值通路接地。
混合接地。工作频率在 1 ～ 30MHz 的电路采用混合接地式。当接地线的长度小于工作信号波长的 1/20 时，采用单点接地式，否则采用多点接地式。
接地电阻越小越好，因为当有电流流过接地电阻时，其上将产生电压。该电压除产生共地阻抗的电磁干扰外，还会使设备受到反击过电压的影响，并使人员受到电击伤害的威胁。一般要求接地电阻小于 4Ω。
散热片接地。散热片可以成为效能良好的辐射天线，耦合到散热片上的辐射能量会使EMI 变差。散热片直接连在 PCB GND 上能有效抑制 EMI。另外要注意，接地点数、接地阻抗、接地位置不同，抑制 EMI 的能力也不同。
④ 屏蔽。
屏蔽是指通过由金属制成的壳、盒、板等屏蔽体来有效地控制电磁波从某一区域辐射，其原理是采用低电阻的导体材料来减少辐射。导体材料对电磁波具有反射和引导作用，能够在导体内部产生与源电磁场相反的电流和磁激化，从而减弱电磁场的辐射效果，它通常用屏蔽效能来表示。
电磁波传播到屏蔽材料的表面时，通常按 3 种不同的机理进行衰减。
入射表面的反射衰减。
未被反射而进入屏蔽体的电磁波被材料吸收而衰减。
在屏蔽体内部的多次反射衰减。
频率在 30 ～ 1000MHz 的电磁波传播到屏蔽材料表面，若该屏蔽材料的屏蔽效能达到35dB，才算是有效的屏蔽。常见的 EMI/RFI（Radio-Frequency Interference，射频干扰）材料如下。
金属箔胶带。相对容易制造。使用带铝箔和铜箔衬背的胶带时，无须对外壳进行昂贵的金属电镀就能提供优良的屏蔽性能。
金属填充橡胶。这些材料适合缝隙填充和减震的屏蔽。
金属丝网。主要用于 EMI 衬垫。金属丝网的散热效果要好于金属箔，但重量更重，并且占用了更多的空间。
电屏蔽的实质是减小两个设备（或两个电路、组件、元件）间电场感应的影响。电屏蔽的原理是在保证良好接地的条件下，将干扰源产生的干扰屏蔽。因此，接地良好和选择良导体作为屏蔽体是电屏蔽能否起作用的两个关键因素。
磁屏蔽的原理是由屏蔽体对干扰磁场提供低磁阻的磁通路，从而对干扰磁场进行分流，因而选择钢、铁、坡莫合金（铁镍合金）等高磁导率的材料和设计盒、壳等封闭壳体是磁屏蔽的两个关键因素。
电磁屏蔽的原理是金属屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰源的远区场，即同时屏蔽场源所产生的电场和磁场分量。随着频率的增高，波长变得与屏蔽体孔缝的尺寸相当，因此，屏蔽体的孔缝是否泄漏成为电磁屏蔽最关键的控制要素。
屏蔽体的泄漏耦合结构与所需抑制的电磁波频率密切相关，3 类屏蔽所涉及的频率范围及控制要素如表 1-4 所示。
⑤ 滤波。
电磁干扰滤波与电磁屏蔽是两个互补的电磁兼容措施。电磁屏蔽切断电磁干扰的空间传播路径，而滤波则切断电磁干扰沿导体传播的路径。滤波是电路中的一项基本技术，但是一般电路滤波与电磁兼容设计所要求的滤波有些不同。
与一般的滤波电路相比，EMI 滤波的特点如下。
EMI 滤波电路所连接的电路往往没有确定的阻抗，而传统的滤波技术都是基于阻抗特定的场合。
EMI 滤波要衰减的频率范围很宽，一般达到数百兆赫兹，不像传统的滤波电路仅对一个较窄的频率范围内的信号进行衰减，这种宽频滤波实现起来难度较大。
EMI 滤波往往面对频率很高的噪声，这时，滤波电路的各种杂散参数是不能忽视的。
EMI 滤波器主要是低通滤波器，允许低频信号通过，高频信号通过 EMI 滤波器会产生很大的衰减。EMI 滤波器的滤波信号之所以以高频信号为主，是因为导致 EMI 问题的信号大多频率较高。干扰源具有较大的电压变化率或者电源变化率的特性，这意味着较高频率的电压和电流会产生电磁干扰，这些高频的电压和电流更容易通过导体产生辐射，也更容易与空间的杂散参数（电容、电感）发生耦合。因此，要设法消除这些高频电压和电流，阻止它们进入导体。
互连电感往往是系统中尺寸最大的导体，它最容易吸收和辐射电磁波，因此，干扰滤波器安装的位置一般在导线的端口处。如果导线连接的是干扰源电路，那么它阻止高频干扰信号进入导线；如果导线连接的是敏感电路，那么它阻止高频干扰信号进入敏感电路。
1.2.6 小结
在 EMI 性能部分，智能音箱目前的行业竞品标准为 3dB 设计余量。天猫精灵硬件研发团队不断创新，将音箱产品全线做到了 6dB 以上的余量水准，个别产品的余量甚至在 10dB以上，突破行业余量标准。同时，EMI 的设计成本并没有增加。天猫精灵不仅要做更加安全可靠的产品，还要做高性价比的产品！作为天猫精灵的硬件工程师，我们感到很骄傲。
