EMI/EMC設(shè)計(jì)講座:印刷電路板的映像平面(上)_高都電子PCB

2019-08-27 19:14:10

一個(gè)映像平面（image plane）是一層銅質(zhì)導(dǎo)體（或其它導(dǎo)體），它位于一個(gè)印刷電路板（PCB）里面。它可能是一個(gè)電壓平面，或鄰近一個(gè)電路或訊號(hào)路由層（signal routing layer）的0V參考平面。1990年代，映像平面的觀念被普遍使用，現(xiàn)在它是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的專有名詞。本文將說(shuō)明映像平面的定義、原理和設(shè)計(jì)。

映像平面的定義 　　

射頻電流必須經(jīng)由一個(gè)先前定義好的路徑或其它路徑，回到電流源；簡(jiǎn)言之，這個(gè)回傳路徑（return path）就是一種映像平面。映像平面可能是原先的走線的鏡像（mirror image），或位于附近的另一個(gè)路徑----亦即，串音（crosstalk）；映像平面也許就是電源平面、接地平面，或者自由空間（free space）。射頻電流會(huì)以電容或電感的形式與任何傳輸線耦合，只要此傳輸線的阻抗比先前定義好的路徑的阻抗小。不過(guò)，為了符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，必須避免讓自由空間成為回傳路徑。
　　
雖然單面PCB可以降低成本，但是這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)可能無(wú)法符合EMC標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)的2層或4層結(jié)構(gòu)的PCB具有比較高的訊號(hào)完整性，并且可以通過(guò)EMC測(cè)試。高密度（多層板）的PCB堆棧大約可以為每一對(duì)映像平面，提供6dB至8dB的射頻抑制，這是由于消除磁通量所產(chǎn)生的效果。有一個(gè)簡(jiǎn)單法則可以用來(lái)判斷何時(shí)應(yīng)該使用多層板：當(dāng)頻率速率超過(guò)5MHz，或上升時(shí)間比5 ns快，就必須使用多層板。

電感的定義
　　
走線和銅質(zhì)平面都具有數(shù)目有限的電感，當(dāng)電壓施加到走線或傳輸線時(shí)，這些電感會(huì)禁止電流產(chǎn)生，所以會(huì)使雙導(dǎo)線成為不平衡的共模輻射，磁通量因此無(wú)法降低。在電路板結(jié)構(gòu)中，具有三種不同的電感型態(tài)：
　　
●部份電感：存在于導(dǎo)線或PCB走線的電感。
　　
●自身的部份電感：來(lái)自于一個(gè)導(dǎo)線區(qū)段的電感，相對(duì)于無(wú)限長(zhǎng)的區(qū)段。
　　
●共同的部份電感：一個(gè)電感區(qū)段在第二個(gè)電感區(qū)段上所產(chǎn)生的效應(yīng)。
　　
和電容、電阻相比，電感值是最難被測(cè)量的。電感代表一個(gè)封閉型電流回路的動(dòng)態(tài)特性。電感是通過(guò)封閉回路的磁通量和產(chǎn)生磁通量的電流之比值，其數(shù)學(xué)表述式是：Lij=Ψij / li ，Ψ是磁通量，I是回路中的電流。在一個(gè)封閉回路中，電感值與回路形狀和大小有關(guān)。當(dāng)設(shè)計(jì)PCB時(shí)，工程師經(jīng)常會(huì)忽視走線的電感大小。電感永遠(yuǎn)和封閉回路有關(guān)。封閉回路的電感效應(yīng)，可以由部份電感和共同的部份電感的效應(yīng)來(lái)描述。

部份電感
　　
一個(gè)導(dǎo)體的內(nèi)部電感，它是由此導(dǎo)體內(nèi)部的磁通量產(chǎn)生的。一個(gè)封閉回路的部份電感之加總，等于將每個(gè)區(qū)段的部份電感相加后的和，亦即。而每一個(gè)區(qū)段的Li就等于Ψi / li， Ψi表示第i個(gè)區(qū)段耦合至回路的磁通量，I是在第i個(gè)區(qū)段的電流量，Li就是部份電感。因此，不同回路將會(huì)有不同數(shù)值的部份電感。我們關(guān)注的是部份電感值，而不是走線的總電感值。而且，利用部份電感可以推導(dǎo)出共同的部份電感。

共同的部份電感

可以讓映像平面消除磁通量的主要因素是來(lái)自于「共同的部份電感」。磁通量被消除之后，能夠讓磁力線連結(jié)，并為射頻電流找到最佳的回傳路徑。自身的部份電感是指特定的回路區(qū)段之電感，和其它回路區(qū)段無(wú)關(guān)。附圖一是表示一個(gè)自身的部份電感，一條走線回路內(nèi)的電流是I，Lp是走線區(qū)段的自身的部份電感。假設(shè)此走線是從有限的一端，一直延伸至無(wú)限的另一端。
　　
理論上，雖然自身的部份電感與鄰近的導(dǎo)線無(wú)關(guān)，但實(shí)際上，間距很小的相鄰導(dǎo)線會(huì)互相改變彼此的自身的部份電感值。這是因?yàn)橐粭l導(dǎo)線會(huì)和其它導(dǎo)線互動(dòng)，使得在導(dǎo)線的全部長(zhǎng)度上的電流分布不再一致化（uniform）。尤其當(dāng)兩導(dǎo)線間隔和半徑的比值約小于5:1時(shí)，這種情況會(huì)更加明顯?！?/span>

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圖一：自身的部份電感

　　
在兩條導(dǎo)線之間，會(huì)有共同的部份電感存在。共同的部份電感Mp是以平行走線，或?qū)Ь€區(qū)段之間的間距（s）為基礎(chǔ)。Mp是「第一條導(dǎo)線內(nèi)的電流所產(chǎn)生的磁通量（通過(guò)第二條導(dǎo)線至很遠(yuǎn)的地方）」和「第一條導(dǎo)線所產(chǎn)生的電流」之比值。附圖二是表示一個(gè)共同的部份電感。它的等效電路如附圖三所示，此電路的數(shù)學(xué)表述式如下所示：

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圖二：共同的部份電感

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圖三：兩導(dǎo)線之間的共同的部份電感

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現(xiàn)在以共同的部份電感之觀念，來(lái)考慮在附圖三的電路上傳送訊號(hào)，譬如：頻率訊號(hào)。V1是在訊號(hào)路徑上，V2是在射頻電流回傳路徑上。假設(shè)此兩導(dǎo)線構(gòu)成一個(gè)訊號(hào)路徑和它的回傳路徑，因此I1= I且I2 = -I。要不是有共同的部份電感存在，此兩導(dǎo)線將無(wú)法互相耦合，此電路也無(wú)法正常工作，也不會(huì)形成一個(gè)封閉回路。在附圖三中的電壓降將變成：

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由上式中可以知道，若要使電壓降變小，必須增加共同的部份電感值（Mp）。

　　
而增加共同的部份電感之最簡(jiǎn)單方法是：將射頻回傳電流的路徑盡量和訊號(hào)走線靠近。最佳的設(shè)計(jì)方法是：在接近訊號(hào)走線的附近，使用一個(gè)射頻回傳平面，它們之間的距離在可實(shí)現(xiàn)的能力范圍之內(nèi)，應(yīng)該盡量的小。
　　
部份電感永遠(yuǎn)存在于導(dǎo)線中，它如同默認(rèn)值一樣。因此，它就等同于一個(gè)具有特定的諧振頻率的天線?！腹餐牟糠蓦姼小箍梢越档汀覆糠蓦姼小沟男?yīng)?？s小兩導(dǎo)線的間距，其個(gè)別的部份電感就可以降低，這可以符合EMI兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求。
　　
為了使共同的部份電感之效應(yīng)達(dá)到最大，在兩導(dǎo)線中的電流必須大小相同，但方向相反。這也是為何映像平面（或接地線）能夠如此有效的原因。在兩條平行的導(dǎo)線之間，有共同的部份電感存在，而這些電感值會(huì)隨著兩導(dǎo)線的間距和長(zhǎng)度之不同而變化（可以參考導(dǎo)線的技術(shù)規(guī)格）。當(dāng)兩平行導(dǎo)線的間距和長(zhǎng)度都最小時(shí)，它們的共同的部份電感值會(huì)最大。
　　
若在電源和接地平面之間以介電材料分開(kāi)，此時(shí)「共同的部份電感」將扮演什么角色呢？同樣的，只要這兩個(gè)平面的間距很小，共同的部份電感值就會(huì)很大。此時(shí)，在電源平面上所測(cè)量到的射頻訊號(hào)電流應(yīng)該為零，
因?yàn)樗淮笮∠嗤?、方向相反的射頻回傳電流抵銷了。
　　
此外，須注意的是，如果降低兩導(dǎo)線之間的共同的部份電感值，不僅會(huì)減損映像平面的效應(yīng)，而且會(huì)使兩平面之間的電容值增加。