EMI/EMC設計講座：映像平面的分割與隔離(下)_高都電子PCB

設計I/O電路時，有兩個地方很重要，那就是：功能子系統(tǒng)和「安靜區(qū)域（quiet area）」。底下將分別說明。 

方法二：橋接
　　

這個方法是使用一個「橋接電路」，它位于一個控制區(qū)塊與一個隔離區(qū)域之間。橋接的位置是位于「壕溝」無法流通的地方。透過它，訊號走線、電源與接地線都可以通過「壕溝」。如附圖三所示。任何與I/O線路無關的走線如果通過了「壕溝」，就可能會造成射頻輻射和ESD的問題。其所產生的射頻回路電流，如附圖四所示。射頻電流必須沿著它們的走線路徑「映像（image）」回來。在兩個不同區(qū)域之間，會產生共模噪聲。和方法一不同的是：電源和接地平面是直接連接至這兩個不同區(qū)域之間。因此，這個方法形成了一個分割。
　　

使用橋接法的好處是和城堡被「城池」包圍的好處類似。只有那些擁有「護照」的訊號，可以通過這個「橋梁」。由于射頻返回電流必須沿著它們的走線路徑「映像」回來，所以可以使磁通量最小化。這個映像返回路徑是唯一的，而且只有一條返回路徑存在----那就是「這座橋」。
　　

有時，只有電源平面是隔離的，而接地平面則可以透過「這座橋」被完整連接。這種技術常被使用于需要共同接地、或個別過濾的電路上，它們都需要穩(wěn)定的電源。在這種情況下，通常會使用鐵粉芯導線來跨越「壕溝」，但只有已經過濾過的電源可以這么做。這個鐵粉芯必須位于橋梁區(qū)域，而且不能跨過「壕溝」。如果在隔離區(qū)域內不需要模擬或數字電源，則這個未使用到的電源平面可以再次被定義為第二個0V（接地）平面，且參考到主要的接地平面。當使用一個「分割平面（split plane）」時，必須保證穿越過「橋梁」的走線，確實沿著一個0V的參考（接地）平面而行，而且不是沿著分割的電源平面。
　　

當使用橋接法時，如果底盤和系統(tǒng)級設計有提供多點接地（multipoint ground），那最好能將「橋梁」的兩端與底盤或框架（frame）一起接地。將進入口與「橋梁」接地，可以執(zhí)行下列兩項功能：
　　

1. 它可以移除在供電網絡中的高頻的共模射頻成份（接地噪聲電壓），避免它被耦合至分割的區(qū)域內。
　　

2. 它可以移除渦流（eddy current），這種電流可能存在于底盤或適配卡插件箱（card cage）內。藉此，能夠改善接地回路的控制。
　　

一個阻抗更小的路徑可以當成射頻電流的接地面，如果沒有它，射頻電流會經由其它路徑到達底盤的接地面，譬如：在I/O纜線內的射頻電流。

　　
圖三：跨越「壕溝」的「橋梁」
 

　　
圖四：不正確使用「壕溝」的例子
　　

將「橋梁」的兩端接地也可以增加ESD的免疫能力。如果有一個高能量脈沖被注入至I/O連接器中，這個能量可能會跑到主控區(qū)域，并造成永久性的傷害。因此，這個能量脈沖必須經由一個阻抗非常小的路徑，流向底盤的接地面。將「橋梁」的兩端接地的另一個理由是，可以去 除射頻接地噪聲電壓，這個噪聲電壓是由于分割區(qū)域和主控區(qū)域之間所存在的電壓差造成的。如果射頻共模噪聲包含了高頻的射頻能量，則必須在每一個底盤接地點上，使用去耦合電容來移除此射頻能量（交流波形）。附圖四是當使用數字和模擬分割時，走線要如何繞線的情形。由于數字供電平面的切換噪聲（switching noise）可能會注入至模擬區(qū)塊內，所以必須采用隔離或過濾方法。從數字繞至模擬區(qū)塊的所有走線必須經過「橋梁」。對模擬電源而言，必須使用一個鐵粉芯導線來跨越「壕溝」。也可能需要一個穩(wěn)壓器（voltage regulator）。通常，「壕溝」是100%地圍繞著被分割的模擬電源區(qū)域。 

某些模擬組件需要將模擬接地與數字接地連接起來，不過這必須經由一個「橋梁」才行。如附圖五所示。有許多模擬-數字和數字-模擬裝置，在同一個封裝構造內，將它們的模擬接地（AGND）和數字接地（DGND）連接在一起。當一個組件內部是采用這種分割方法來設計時，則在PCB布線時，模擬和數字接地只需要一個接地連接線（亦即，共享一個接地線）。只有當組件內部有將AGND和DGND分開時，AGND和DGND才需要彼此以「壕溝」隔開。在 進行PCB布線時，工程師必須事先詢問組件供貨商，要如何正確地隔離或連接AGND和DGND。
 

　　　
  圖五：數字和模擬分割的概念 
　　

不正確地使用映射平面
　　

映射平面雖然很好用，但是如果錯誤地使用它，將會造成嚴重的電磁干擾問題。一個映像平面要能夠有效，所有的訊號走線必須與一個固定平面相鄰，而且不能跨越銅線的隔離區(qū)域。不過，使用某些特殊的走線繞線技術卻是例外。如果一條訊號走線，或甚至一條電源走線（例如：在+5 V電源平面上的一條+12 V走線）在一個固定平面內繞線，則這個固定平面將被切割成許多個小部份。一個接地或射頻訊號返回回路的設計規(guī)則，目前已經被建立起來，這是在相鄰的電路板層之間測量射頻返回電流的大小。這種電流的存在代表了映射平面并沒有被正確地使用。這種射頻回路的產生，是因為射頻電流無法在訊號走線內找到一條直接的、低阻抗的返回路徑。
　　

附圖六說明了映射平面被不正確地使用的情形。這些平面現(xiàn)在已經無法成為一個固定的0 V參考點，以去除共模的射頻電流。由于平面的切割所造成的損失，最后可能會產生射頻電場。在一個映射平面上的通孔（via）并不會減弱該平面的映射能力，但接地插槽（ground slot）除外。
　　

圖六：走線不正確地使用映射平面
　　

另一個與接地平面的不連續(xù)性有關之議題是：使用穿洞（through-hole）組件。在一個電源或接地平面上使用過多的穿洞組件，將會產生所謂的「瑞士奶酪病癥（Swiss Cheese Syndrome）」。由于穿洞太多，許多洞都彼此重迭，致使平面上的銅區(qū)塊減少，不連續(xù)的區(qū)域就變大了。這個效應如附圖七所示。在映射平面上的返回電流是沿著洞孔邊緣流動，而訊號走線則是以直線路徑跨越不連續(xù)的區(qū)塊。如附圖七所示，在接地平面上的返回電流必須繞過插槽或洞孔。其結果是，必須增加走線的長度，才能傳送返回電流。增長的走線長度會使返回走線的電感值增加。因為E = L(dI/dt)，當返回路徑的電感值增加時，訊號走線與射頻電流返回路徑之間的差模耦合效果就會降低，磁通相抵（flux cancellation）的效果也會減少。對洞孔不是很大的穿洞組件而言----其接腳之間仍然具有空間，降低訊號和返回電流的最佳方法是：降低返回路徑和固定平面上的電感值。
　　
如果一條訊號走線是沿著穿洞區(qū)域（不連續(xù)區(qū)域）行走，則一個固定的映射平面（射頻返回路徑）將會沿著所有的訊號路徑存在著。在附圖七右側，因為接地平面沒有不連續(xù)，所以走線長度可以縮短。相反的，在附圖七左側，如果走線長度增加，就會增加電感值。當走線長度增加后，會造成能量反射，破壞訊號的完整性和應有的功能，也會產生射頻電流回路，如同天線一樣。
　　
為了縮短走線的長度，而必須使訊號走線穿過PCB的插槽或洞孔時，在走線和洞孔附近空間之間必須遵守「3-W法則」：走線之間的間距必須是單一走線寬度的三倍；或者說：兩走線之間的間距 〉單一走線寬度的兩倍。
　　
附圖八是使用電容使射頻返回電流能夠穿越插槽或「壕溝」。此電容為射頻電流提供了交流并聯(lián)電路，藉此，射頻電流可以穿越「壕溝」。它大約可以提高20dB的效能。不過，這種方法可能會在走線電流和它們的映射電流之間，產生電抗（reactance）位移的現(xiàn)象，最后將使磁通相抵（flux cancellation）的效果減弱。所以，最好使用上述的隔離法或橋接法來解決。
 

圖七：使用穿洞組件時的接地回路

　　
圖八：利用電容使射頻返回電流可以穿越「壕溝」

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