最近在圣地亚哥举办的2017年AltiumLive上，恩智浦半导体公司的Dan Beeker是主题演讲者之一。他的演讲主题是三维结构设计以及为什么这与空间有关。我们很荣幸邀请到了Dan，讨论了他的演讲以及他的背景和事业情况，以及他会给年轻的PCB设计师哪些建议。
BARRY MATTIES：您为2017年AltiumLive首届活动带来的主题演讲的标题是全部与空间有关。关于这个主题演讲，您能简要地为我们的读者介绍一下吗？
DAN BEEKER：这篇主题演讲说的是我们要像水管管网一样设计电路。我们的设计要能够从板外或电容器等存储电能的位置中取出电磁场，而不是电子，并将其传输到我们想要使用的地方的三维结构。这种设
计可以用在逻辑功能、驱动燃油泵中的电机以及其他功能中。把能量从原来的位置移动到需要的地方，能做到这一点的就是将电磁场转换成动能，而动能能够使物体移动。它能通过振动分子来加热物体，比如灯泡，或者使物体移动，比如电动机和扬声器。
MATTIES：您能为我们的读者介绍一下你的背景吗？
BEEKER：我是恩智浦汽车团队的一名应用工程师，我负责支持我们遍布全球的客户的微控制器嵌入式设计。我还负责设计工具链中的缺失环节。我开发各种被我称为小部件的适配器和套接字接口，这些小部件使客户能够更轻松地调试他们的软件和硬件，这其中很多功能是无法从通用第三方工具供应商那里获得的。
之后，我成为了一个优秀的系统设计师，设计真正的产品。跟我的大多数客户一样，我设计的所有零件都必须通过CE认证。所以当我设计一个产品的时候，我会把它设计到最好，这样我就不需要担心CE问题。它们的测试结果通常都比标准低20至30dB。这样，我就可以向客户展示什么才是设计的产品的正确方式。
每次我设计新的板子时，我都会这样做，我想要帮助我的客户明白如何以正确的方式打造他们的产品；之后，我成为了EMC方面的专家，因为似乎其他人都不关心这方面。
MATTIES：在你的演讲中，你提到在遇到Rick Hartley之后你有一种茅塞顿开的感觉，他完全颠覆了你的思维，能跟我们聊一下吗？
BEEKER：我曾经在飞思卡尔工作过，为一个大型客户项目开发一种先进的基于门阵列设计的有机硅仿真器，在这之前我在摩托罗拉工具团队任职，有内部电路仿真器方面的经验。我们有一个名为摩托罗拉有源探测接口（Motorola Active Probe Interface）的标准，其中定义了如何连接电路板，如何排布信号线等。我当时与一家在Dayton市的服务机构合作，我对他们的设计师说：“你必须遵循这个标准。” 他说：“呃，我不认为你真的想要我这么做，这个标准不是你想的那样。” 我说：“你什么意思？这是摩托罗拉的标准，这个标准我们已经使用了很多年，你在为我工作，我是高级工程师，我知道我在做什么，你必须遵守这个标准。”
然而他也同样固执。我们的生日是同一天，都是天蝎座，所以情况真的很糟糕。他说：“不，你错了，你这样行不通，你需要接受一些培训。” 我告诉他，我不需要培训，我做这事的时候他还没出生呢。他告诉我，我需要去加利福尼亚州接受培训。于是我跟老板说：“我真的需要接受信号完整性的培训，我遇到了一些问题，我必须弄明白该怎么做，我的客户也必须弄明白。”于是他让我去参加Rick Hartley的培训班。
MATTIES：然后你就去了。
BEEKER：是的，我去听了Rick的课程，五分钟后，他就开始谈论如何管理信号传输线。很快，我非常傲慢的态度就变成了明白自己其实什么都不知道，什么都不懂了。直到那时，我才知道我所做的一切都是碰巧成功的，而并不是我知道该怎么设计。作为一名高级工程师，这绝对不是一件好事。我希望我的老板还没有发现这点，你懂的。
于是我开始不断向Rick提出各种问题，大约半小时后，他停了下来，看着我，说：“你到底是谁，你是来干啥的？” 我说：“Rick，我是Dan Beeker，我来自飞思卡尔，我真的非常需要弄明白这些知识。”这个为期两天的课程，实在是令我大开眼界。
MATTIES：这听起来像是你人生的转折点。
BEEKER：绝对是。这次课程改变了我的职业生涯。当我回到公司的时候，我们正在为飞思卡尔的第一个大型技术论坛做准备。我的经理参与了内容创作，所以他必须参加另外一个会议，然后让我参加这个电话会议。当时我对信号完整性真的非常感兴趣，而且我知道我们正在向90纳米及更高制程的方向发展。会议上，我抓住一个机会，说：“我们需要信号完整性培训，我们已经快要进入90纳米时代了，但我们的CMOS还是一团糟。“ 他说：“好啊，就由你来组建一个专家小组，然后我们来做这件事。”
那么，我该怎么组建一个专家小组呢？我把我书架上的书都拿了下来，这些书都是我为了装作很有学问买来的。我给这些书的作者都打了电话，其中有Henry Ott、Howard Johnson和Lee Ritchey。但是我们召开会议的那一周，刚好在英国还有一个大型EMC联盟会议，所有的大牛都会去参加那个会议。
有一位作者，Ralph Morrison，给我回了电，他说：“你是谁，你找我干嘛？”我告诉了他我是谁，正在找人代表我的专家小组发言，最终，Ralph同意了。他当时已经退休了，我又把他拉回来了。我当时不知道他多少岁了，只知道是80多。他现在已经92岁了。我拉到了Ralph，然后我又去找了PCB West的几位讲师，又拉到了Rick Hartley和Bob Hanson。
他们向我推荐了UMR（密苏里大学罗拉分校，现在的密苏里科技大学），之后我给他们打了电话，因为飞思卡尔是联盟商会的成员，交了会费，所以我可以打电话说：“我们是飞思卡尔公司，你们的客户。” Todd Hubing博士和项目总监Tom Van Doren两位UMR的教授加入了专家小组。我还请到了X2Y Capacitors公司的首席技术官，然后是Lee Hill，他也毕业于UMR，现在是一名顾问，也是EMC届的名人。
这就是我的专家组。我让Ralph第一个来，因为他是物理学家，然后是Rick Hartley，最后是X2Y，这样就构成了全套的EMC解决方案。结束后，我发现Ralph正气得上蹿下跳。他已经很老了，我很担心他会心脏病发作。我说：“Ralph，冷静一下，发生了什么事？”他说：“他们错了，不是这样，他们错了。” 我说：“Ralph，我们一起去吃午饭吧，我们可以聊聊。”
于是他开始传授我关于场物理学的知识，在我们的讨论结束后，我说：“你了解一些我们不知道的知识，我相信你。”再加上他已经有八九本畅销书了，我也知道他有多么资深，因为我已经有三本他写的书了。我多次聘请他来为我的客户教授他的课程，后来还聘请了一些其他人。最终，我开始可以从其他人的演示文稿中发现Ralph教给我的物理学，这非常有意义。我开始应用Ralph教我的知识，结果大获成功。
当我完成了我的第一个关于天线长度的演讲的幻灯片时，所有这些内容都有了意义。那时候，我在职业生涯中所见到过的一切事情我都理解了。为什么当我们从HMOS变成HCMOS时，所有汽车模块的EMC
都不合格，因为开关速度提高了10倍，而天线长度减少了10倍。更快的开关速度，更短的天线，这当然过不了。那时候，我的感觉是：“哦哦哦，我终于懂了”。从那以后，就是我用基于场管理的知识取代电路理论经验的过程。
MATTIES：这在当时是比较传统还是比较激进的思维方式？
BEEKER：Ralph说从来没有人真正注意过这方面。他们读了他的书，知道自己做错了，但没有人愿意改。
MATTIES：那时候是哪一年？
BEEKER：2008年2009年吧。
MATTIES：所以在八九年前，你就在研究这方面了。我了解到你现在经常发表演讲，这对普及这方面知识有帮助吗？
BEEKER：我有很多客户已经在遵守这些规则了。其中，有一个客户在开始设计之前安排了一次培训课程，并且让我们在整个过程中做定期评估。他们的第一个设计就能达到批量生产的要求，这让他们觉得难以置信。他们说这样其实很简单。我对他们说：“如果你遵守这些规则，你的板就能通过EMC测试。”
MATTIES：这种方法应该是常识吧？
BEEKER：确实如此。
MATTIES：既然是常识，那为什么都没人知道呢？
BEEKER：由于种种原因，这部分知识在正规教育中并没有真正学好。他们从电磁场知识中去掉了令人望而生畏的数学，人们不愿意学习数学，被迫学会以后也很快就忘掉了。所以，基于代数和非常容易理解的概念的电路从来没有真正与这方面知识联系起来，是缺少的一块拼
图。人们走出大学，参加工作，在工作岗位上遇到的都是仍然在使用似乎能够让电路正常工作的设计理念的人们，而正如我之前所说的那样，这种设计理念是碰巧成功的。我的导师是这样教导我的，我每天也在工作中反复这样做，并期望我的顾客也能这样做，直到我终于明白，这是三维几何结构。电气工程师不喜欢从几何角度考虑事情。
MATTIES：为什么？
BEEKER：因为无法跟数学联系起来。尽管它是比度量，但晶体管的开关速度是与其几何形状相关的。我们把能量放入三维结构中，它的特性和对这种能量的反应是由几何形状决定的。如果几何形状不匹配，那么在信号完整性、无线电干扰发射和抗干扰方面就会出现问题。这些都是有可能发生的。
MATTIES：那么，人们怎么才能明白这一点，并将它应用到他们的工作中呢？
BEEKER：如果是想看书的话我推荐Ralph写的一本书：《数字电路板：1GHz》，这本书是他几年前出版的。这可能是目前科学理论和实践结合得最好的一本书了。这本书非常棒，书中每一章的内容都是与场特性有关的干货，通过浅显易懂的语言组织方式呈现。然后，在每一章的结尾，回顾总结能让你确定真的明白了每一个知识点。遵守这些规则能帮助你更好地理解物理学，也让大家明白其实并没有太多的微积分。这本书为想学习这方面知识的人准备了非常准确的科学，同时又能被像我这样的普通人所理解。
MATTIES：你有没有可量化数据或经验数据能够做到：“我改了这里和那里，这就是影响”的时候？
BEEKER：其实我做过一块测试板，当时每个人都在谈论增加地平面，它对信号完整性来说有多重要，但没有人能够量化这一点。我设计了一个两层的电路板，采用比较老的QFP封装技术，我们所做的就是通过六英寸的蛇形走线连接所有的IO引脚到一个接地的电阻，然后以我们所能达到的最快时钟速度40MHz来切换这些引脚。我们没有考虑如何接地，因为那时候我们对此并不在意。刚刚接通的时候，它能正常工作，看起来没什么问题，然后我们对它做了一些测试，结果发现这块板有一个辐射热点，这个热点与核心的切换速度一致。
对于这个核心的几何尺寸，200MHz是最佳选择。我看到很多客户在FM频段上出现了数以千计的失败设计，这个设计在200MHz的频率上也有35到40dB的发射强度。这是跟时钟相关的核心开关噪声，是我之前谈到过的耗散波。于是我还是用同样的电路板，在两个完整的地平面中间放置核心，除了将电阻移在地平面上之外，没有对布局做任何其他改变。没有移动任何元件，走线也没有变化，在测试中，200MHz下的传导辐射最大值下降到了大约6dB。
MATTIES：当时你的反应是怎么样的？
BEEKER：当时感觉很神奇。这说明Ralph和Maxwell是对的。将胡乱布线的电路板改成传输线就有30dB的提升，我们甚至都还没有做任何优化。这块板还可以达到更好的效果，不过还是说明了传输线的影响。
MATTIES：我非常欣赏你的洞察力。你还有什么话题想跟年轻的设计师分享吗？
BEEKER：希望他们能把重点放在场的概念上，理解电路理论为理解某些特性提供了一个很好的平台，但是还是需要关注场的概念。移动的场产生电流。移动的场在他们所有将会设计出的产品中都会起作用。如果他们能更好地理解电磁场的世界是什么样的，那么当他们真正走向工作岗位时，将成为非常有用的人才。我还想告诉他们一定要坚强。不要让老古董告诉你你错了，因为这与空间有关，全部与空间有关。
MATTIES：Dan，非常感谢你接受我们的采访。
BEEKER：不客气，也谢谢你。
