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

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(guān)念被普遍使用，現(xiàn)在它是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的專(zhuān)有名詞。本文將說(shuō)明映像平面的定義、原理和設(shè)計(jì)。 

映像平面的設(shè)計(jì)

附圖四是在PCB內(nèi)的映像平面，它具有共同的部份電感。在此圖中，訊號(hào)走線(xiàn)的大多數(shù)射頻電流將回至接地平面，此平面在訊號(hào)走線(xiàn)的正下方。在這個(gè)回傳「映像」結(jié)構(gòu)中，射頻回傳電流將遇到一個(gè)有限大的阻抗（電感）。此回傳電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)「電壓梯度（斜率）」（每單位路徑長(zhǎng)度的電壓變化率），也稱(chēng)為「接地噪聲電壓（ground-noise voltage）」。接地噪聲電壓會(huì)導(dǎo)致部份的訊號(hào)電流通過(guò)接地平面的離散電容。
　　
典型的共模電流 是差模電流Idm的1/10n倍（n為小于10的正整數(shù)）。不過(guò)，共模電流（I1和Icm）會(huì)比差模電流（ 和 ）產(chǎn)生更多的輻射。這是因?yàn)楣材５纳漕l電流場(chǎng)是相加的，而差模電流場(chǎng)是相減的。
　　
為了降低「接地噪聲電壓」，必須增加走線(xiàn)和其最靠近的映像平面之間的共同的部份電感值。這樣可以為回傳電流提供一條增強(qiáng)的路徑，將映像電流映射回電流源。接地噪聲電壓Vgnd的計(jì)算公式如下所示：
　　
Vgnd = Lg dI2/dt - Mgs dI1/dt
　　
附圖四和上式的符號(hào)意義如下所示：

　　Ls = 訊號(hào)走線(xiàn)自身的部份電感。
　　Msg = 訊號(hào)走線(xiàn)和接地平面之間的共同的部份電感。
　　Lg = 接地平面自身的部份電感。
　　Mgs = 接地平面和訊號(hào)走線(xiàn)之間的共同的部份電感。
　　Cstray = 接地平面的離散（stray）電容。
　　Vgnd = 接地平面噪聲電壓。
　　
 

為了降低附圖四中的If，接地噪聲電壓必須減少。最好的方法是：縮小訊號(hào)走線(xiàn)和接地平面之間的距離。在大多數(shù)的情況下，接地噪聲的降低是有極限的，因?yàn)橛嵦?hào)平面和映像平面之間的距離不能小于一個(gè)特定值；若低于此值，則電路板的固定阻抗和功能將無(wú)法確保。此外，也可以為射頻電流提供額外的路徑，藉此降低接地噪聲電壓。此額外的回傳路徑包含有數(shù)條接地線(xiàn)。
　　

　　
       圖四：PCB內(nèi)的接地平面

　　
一個(gè)穩(wěn)固的平面會(huì)產(chǎn)生共模的輻射。由于共同的部份電感可以降低具輻射性的射頻電流的產(chǎn)生，因此，共同的部份電感也會(huì)影響到差模電流和共模電流。而利用映像平面是可以將這些電流大幅地降低的。理論上，差模電流應(yīng)該等于零，但實(shí)際上它無(wú)法100%被消除，而剩下來(lái)的差模電流會(huì)轉(zhuǎn)變成共模電流。此共模電流正是造成電磁干擾的主要來(lái)源。因?yàn)樵诨貍髀窂缴系氖Ｓ嗟纳漕l電流，被加到在訊號(hào)路徑中的主電流（I1）中，造成訊號(hào)嚴(yán)重干擾。為了降低共模電流，我們必須將走線(xiàn)平面和映像平面之間的共同的部份電感值增加至最大，以補(bǔ)捉磁通量，藉此消除不需要的射頻能量。差模電壓和電流會(huì)產(chǎn)生共模電流，而減少差模電流的方法除了增加共同的部份電感值以外，走線(xiàn)平面和映像平面之間的距離也必須最小。

在PCB內(nèi)，當(dāng)有一個(gè)射頻回傳平面或路徑存在時(shí)，若此回傳路徑被連接至一個(gè)參考源，則可以獲得最佳的性能。對(duì)TTL和CMOS而言，其芯片內(nèi)的功率和接地腳位是連接至參考源、電源、接地平面。只有當(dāng)射頻回傳路徑有和芯片內(nèi)的功率和接地腳位連接，一個(gè)真正的映像平面才會(huì)存在。通常，在芯片內(nèi)會(huì)有接地線(xiàn)路，此線(xiàn)路與PCB的接地平面連接，因此產(chǎn)生良好的映像平面。如果將此映像平面移除，則在走線(xiàn)和接地平面之間會(huì)產(chǎn)生「虛幻的」映像平面。由于走線(xiàn)之間的距離很小，輻射能量會(huì)降低，因此，射頻映像（RF image）會(huì)被抵銷(xiāo)。理想的映像平面應(yīng)該是無(wú)限大的，而且沒(méi)有分裂、細(xì)縫或割痕。

接地和訊號(hào)回路 
　　
由于回路是射頻能量傳播最主要的媒介，因此，接地或訊號(hào)回傳回路控制（return loop control）是抑制PCB內(nèi)的電磁干擾的最重要設(shè)計(jì)考慮之一。高速的邏輯組件和振蕩器應(yīng)該盡量靠近接地電路，以避免形成回路；在此回路中會(huì)有渦流（eddy current）存在，此時(shí)是以機(jī)殼或底座（chassis）接地。渦流是受到不斷變化的磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生的，它通常是寄生的。附圖五是PC的適配卡插槽和單點(diǎn)接地所形成的回路。在此圖中，有一個(gè)額外的訊號(hào)回傳回路區(qū)域存在。每個(gè)回路將會(huì)各別產(chǎn)生一個(gè)不同的電磁場(chǎng)和頻譜。射頻電流將會(huì)在特定的頻率下，產(chǎn)生電磁輻射場(chǎng)，其輻射能量的大小和回路的面積有關(guān)。這時(shí)必須使用遮蔽物（containment），以避免射頻電流耦合至其它電路中；或輻射至外部環(huán)境，造成電磁干擾。不過(guò)，最好能盡量避免由內(nèi)部電路產(chǎn)生射頻回路電流（RF loop current）來(lái)。
 

圖五：在PCB內(nèi)的接地回路

　　
若射頻電流的回傳路徑不存在，此時(shí)，可以利用連接至底座的接地線(xiàn)路，或0V參考源來(lái)協(xié)助移 
除掉不良的射頻電流。這也稱(chēng)為「回路面積控制（loop area control）」。 
　　
回路面積的控制
　　
一個(gè)被磁場(chǎng)感應(yīng)的回路，它的電磁場(chǎng)可以用電壓源來(lái)表示。這個(gè)電壓源大小和回路的總面積成正比。因此，為了降低磁場(chǎng)的耦合效應(yīng)，必須減少回路的面積。電場(chǎng)「撿拾（pickup）」接收系統(tǒng)也是依靠回路面積，來(lái)形成接收天線(xiàn)。
　　
當(dāng)有一個(gè)電場(chǎng)存在時(shí)，在電源和接地平面之間，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電流源。電場(chǎng)不會(huì)在線(xiàn)路至線(xiàn)路之間耦合，而會(huì)在走線(xiàn)至接地線(xiàn)之間耦合，這就包含了共模電流。但是，對(duì)磁場(chǎng)而言，由于電場(chǎng)會(huì)伴隨它產(chǎn)生，所以電磁場(chǎng)會(huì)在線(xiàn)路至線(xiàn)路之間耦合，也會(huì)在走線(xiàn)至接地線(xiàn)之間耦合。
　　
一般人都會(huì)忽略在PCB內(nèi)，于電源和0V參考點(diǎn)之間要設(shè)置回路區(qū)域。附圖六的大回路面積是最容易設(shè)計(jì)的，但也最容易被「靜電釋放（ESD）」或其它場(chǎng)感應(yīng)，變成一個(gè)天線(xiàn)。多層堆棧的PCB可以減輕ESD的破壞，并能減少磁場(chǎng)的產(chǎn)生，避免它輻射至自由空間。在附圖七中，接地平面和電源平面之間，具有一個(gè)很小的回路面積。
　　
使用電源和接地平面可以降低電源分配系統(tǒng)的電感值。若將電源分配系統(tǒng)的特性阻抗降低，則可以降低電路板的電壓降。電壓降若變小，則「接地彈跳（ground bounce）」的現(xiàn)象就可以避免。當(dāng)邏輯閘開(kāi)關(guān)快速切換時(shí)，瞬間的電流變化會(huì)經(jīng)由IC接腳，傳送至主機(jī)板的電源平面或接地平面，造成輸入?yún)⒖茧妷旱牟▌?dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生射頻噪聲（RF noise）和電磁干擾，這種現(xiàn)象就稱(chēng)作「接地彈跳(ground bounce)」。此外，降低特性阻抗的同時(shí)，電源平面與接地平面之間的電容值會(huì)增加，這個(gè)電容值會(huì)使得任何的感應(yīng)電壓值下降，這就是「去耦合（decouple）」的效果。

 

　　　　
圖六：綠色區(qū)域是大的回路面積

　　
當(dāng)訊號(hào)線(xiàn)在組件之間穿梭時(shí)，大的回路面積就被產(chǎn)生了。但是我們常常會(huì)忘記訊號(hào)線(xiàn)對(duì)EMI的影響。雖然，訊號(hào)的完整性（時(shí)域）仍然很高，但是，EMI依然存在（頻域），因?yàn)橛嵦?hào)回路面積所產(chǎn)生的問(wèn)題，比電源分配系統(tǒng)所產(chǎn)生的問(wèn)題多。尤其是從ESD的觀(guān)點(diǎn)來(lái)分析，更是如此；這是由于ESD會(huì)直接進(jìn)入回路和組件的輸入腳位中。為了降低ESD可能造成的傷害，減少回路面積是最簡(jiǎn)單的方法。電源和接地平面分散網(wǎng)絡(luò)提供了低阻抗的路徑，能夠?qū)SD能量傳送至0V的回傳參考平面內(nèi)。畢竟，回路是回路，如果它們能發(fā)出電磁波，就應(yīng)該能夠接收電磁波。

除了能降低接地噪聲電壓以外，映像平面也能防止射頻接地回路變大，因?yàn)樯漕l電流緊密地與它們的電流源走線(xiàn)耦合，所以，它不需要另外尋找回傳路徑。當(dāng)回路控制最大化時(shí)，磁通量就被大幅消除了。這是在PCB內(nèi)，抑制射頻電流的最重要觀(guān)念之一。在靠近每一個(gè)訊號(hào)平面處，正確地配置映像平面，就可以消除共模的射頻電流。傳輸大量的射頻電流的映像平面，必須接地或接至0V參考點(diǎn)。為了移除多余的射頻電壓和渦流，所有接地和底座平面可以透過(guò)一個(gè)低阻抗的接地電路，連接至底座的接地點(diǎn)。
 

　　　　
       圖七：具有一個(gè)很小的回路面積的PCB布線(xiàn)

接地線(xiàn)的間距

　　
要降低PCB內(nèi)的回路生成，最簡(jiǎn)單的方法是設(shè)計(jì)許多個(gè)接地線(xiàn)，并全部連接至底座的接地點(diǎn)。由于組件的輸出訊號(hào)的邊緣速率（edge rate）加快了，所以，多點(diǎn)接地就變成了必要的規(guī)格，尤其當(dāng)有使用到I/O互連的設(shè)計(jì)時(shí)。當(dāng)PCB使用多點(diǎn)接地，而且都連接到一個(gè)金屬結(jié)構(gòu)上，這時(shí)，我們必須知道所有接地線(xiàn)之間的間距是多少。
　
接地線(xiàn)之間的距離不能超過(guò)最高頻率的λ/20，這不僅包括主頻率，也包含諧波頻率。如果某組件的輸出訊號(hào)的邊緣速率比較慢，則它連接至底座接地點(diǎn)的數(shù)目可以減少，或和接地位置的距離可以增加。例如：一個(gè)64MHz的振蕩器的λ/20是23.4公分，若兩個(gè)接地線(xiàn)的直線(xiàn)距離大于23.4公分，則很可能會(huì)有射頻回路存在，這個(gè)回路可能就是射頻能量傳播的來(lái)源。 
　
在PCB中的組件布局必須要正確。將不同功能區(qū)塊的接地線(xiàn)緊密相鄰，可以縮短訊號(hào)走線(xiàn)的長(zhǎng)度、降低反射、并使繞線(xiàn)容易，同時(shí)保持訊號(hào)的完整性。應(yīng)該要盡量避免使用通孔（via），因?yàn)槊恳粋€(gè)通孔會(huì)增加走線(xiàn)的電感值大約1至3 nH。
　　
此外，為了防止不同的頻寬區(qū)域相互耦合，必須對(duì)不同的功能區(qū)塊做正確的分割（partition），其方法有：使用分離的PCB、絕緣、不同的布線(xiàn)….等。正確的分割可以提高電路效能、使繞線(xiàn)容易、縮短走線(xiàn)的長(zhǎng)度，并且能縮小回路的面積、提升訊號(hào)質(zhì)量。工程師在布線(xiàn)之前，必須先規(guī)劃好哪些組件是屬于哪一個(gè)功能區(qū)塊，而這些信息可以從組件供貨商處獲得。

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