EMI/EMC設(shè)計講座：多層通孔和分離平面的概念_高都電子PCB

2019-08-27 19:14:10

在走線路徑上使用通孔（via），是任何高速傳輸技術(shù)極關(guān)切的課題，因為它會產(chǎn)生電磁干擾和串音。此外，在分離的平面之間，絕不能發(fā)生互相重迭（overlay），這是PCB電路設(shè)計者最關(guān)心的問題之一。本文將介紹多層通孔、跳接、接地走線的概念及其之間關(guān)系，與各種分離平面的布線技巧，并說明可隔離電源和接電平面的鐵粉芯（ferrite）材質(zhì)之效能特性。

多層通孔
當(dāng)要將頻率（clock）訊號或高威脅性訊號由來源端繞線（routing）至負載端時，通常會經(jīng)過走線（trace）到達一個繞線平面（routing plane），例如：X軸，然后經(jīng)過相同的走線到達另一個平面----例如：Y軸。而且假設(shè)每一個走線是與一個射頻回傳路徑（RF return path）緊鄰，則沿著全部的走線路徑，就可以與共模射頻電流（common-mode RF current）緊密耦合。不過，在實務(wù)上，這種假設(shè)只有一部份是正確的。
　　當(dāng)一個訊號走線從一電路層跳至另一電路層時，射頻回傳電流應(yīng)該沿著走線路徑流動。當(dāng)一個走線在兩個平面結(jié)構(gòu)之間，穿過一個PCB時，通常會將它們視為電源平面和接地平面，或者說這兩個平面具有相同的電位，而回傳電流在這兩個平面之間共享。回傳電流唯一可以在這兩個平面之間跳接（jump），是在去耦合電容的位置上。如果這兩個平面具有相同的電位，例如：0V（參考電壓），則射頻回傳電流將會在連接兩平面的通孔處發(fā)生跳接，而此通孔是供給一個組件使用。
　　
當(dāng)從一個水平層跳接至一個垂直層，射頻回傳電流是無法完全如此跳接的。這是因為在走線路徑上，有一個「不連續(xù)（discontinuity）」，那就是通孔?；貍麟娏鳜F(xiàn)在必須尋找一個替代的低電感（阻抗）路徑，如此才能完成它的回路。這個替代路徑可能不在通孔旁邊，結(jié)果，在訊號走在線的射頻電流可能會耦合至其它電路中，并產(chǎn)生串音（crosstalk）和電磁干擾的問題。下列的設(shè)計技巧，能夠有效地減少因為電路層之間的跳接所產(chǎn)生的串音和電磁干擾問題：
　　
1. 首先，只在一個繞線層對所有的頻率訊號和高威脅性訊號做繞線，也就是說：X軸和Y軸回路都是在相同的平面上。PCB電路設(shè)計者可能會放棄這個技巧，因為它幾乎無法支持「自動繞線（autorouting）」。
　　
2. 一個固定的射頻回傳路徑必須緊鄰繞線層。而且，不因為使用通孔或走線跳接到另一個繞線平面，而造成回路不連續(xù)。
　　
如果必須在水平和垂直的繞線平面之間，使用一個通孔來繞線，設(shè)計者必須在每一個通孔位置使用接地通孔（率先將接地通孔應(yīng)用到PCB的人是W. Michael King），訊號軸是在這些位置上跳接的。接地通孔的電位永遠是0V。
　　
接地通孔是直接與每個訊號回路通孔相鄰，從水平平面繞至垂直平面。只有當(dāng)PCB內(nèi)部具有一個以上的0V參考平面時，才能使用接地通孔。這個通孔和所有的接地平面（0V 參考電壓）連接，成為訊號跳接電流的射頻回傳路徑。本質(zhì)上，這個通孔和0V參考平面結(jié)合在一起，并和訊號走線的位置相鄰并行。當(dāng)每一個訊號走線的通孔使用兩個接地通孔時，將會有一個連續(xù)的射頻回傳路徑存在，射頻回傳電流會在它上面流動。這個接地通孔將維持一個固定的射頻回傳路徑（經(jīng)由映像平面），與訊號回路完全相鄰。
　　
當(dāng)只存在一個0V參考（接地）平面，而且替代平面的電壓是一般PCB四層板常使用的值時，會發(fā)生什么事呢？為了維持一個固定的射頻回傳路徑，此時，0V參考平面必須充當(dāng)為主要的回傳路徑。訊號走線必須穿過這個0V參考平面。當(dāng)走線必須穿過電源平面時，就必須使用接地走線；在接地走線的兩端使用通孔，與訊號走線平行，穿過電源平面，與0V參考平面連接。使用這種方法，就可以維持一個固定的射頻回傳路徑。如附圖一所示。

圖一：PCB四層板的接地走線之繞線

　　
當(dāng)必須在電路層之間跳接時，要如何才能減少使用接地通孔呢？在正確的PCB電路設(shè)計中，最優(yōu)先的是頻率訊號的繞線，它是屬于「人工繞線」。在對這些優(yōu)先的少數(shù)走線（例如：所有的頻率訊號和高威脅性訊號）做繞線時，PCB電路設(shè)計者的選擇是比較多的，他們可以使用最短的走線距離（shortest Manhattan length）來繞線，使跳接位置緊鄰組件的接地通孔。此跳接將共享該組件的接地腳位之通孔。對這組件而言，此接地通孔將提供0V參考電壓，并允許射頻回傳電流產(chǎn)生一個跳接。如附圖二所示。

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圖二：優(yōu)先的少數(shù)走線之人工繞線范例

分離平面

　　
當(dāng)使用多層板的PCB時，位于同一平面上的電源平面和接地平面有時會被分開。例如：將模擬電路和數(shù)字邏輯分開、I/O互連電路的隔離、不同參考電壓的分割（例如：將+5V區(qū)域和-48V區(qū)域分割）、組件的隔離，但這些都需要射頻回傳路徑。經(jīng)定義好的射頻回傳路徑可以被比喻為一個道路路線圖，射頻回傳電流只在已經(jīng)定義好的路徑上流動。
　　
如果在一個平面上發(fā)生重迭，則必須在重迭的區(qū)域之間使用電容（大小是有限值）。如附圖三所示，C1允許射頻能量（是一個交流波形），穿過一個噪聲平面，到達一個分開的、隔離的、安靜的平面，這是很糟糕的設(shè)計。這些平面的直流電壓是不變的，因為在這些平面之間，有使用濾波器來傳遞直流電壓。
　　
如果需要隔離特定的高頻電路，可以使用「鐵粉芯導(dǎo)線（ferrite bead-on-lead）」，而不是電感，來隔離電源平面，或?qū)㈦娫雌矫婧徒拥仄矫娓綦x。不過，使用這種方法時，必須很小心。如果兩平面都包含了高頻的射頻噪聲，則通常要將電源平面和接地平面隔離。如果數(shù)字區(qū)域和模擬區(qū)域都需要一個共同的接地平面，而且需要模擬電源，則只能使用鐵粉芯導(dǎo)線來銜接分割的電源平面。
　　當(dāng)PCB內(nèi)出現(xiàn)分離平面（split plane）時，共同的接地平面必須直接位于離散濾波組件下方。所有訊號走線必須緊鄰此接地平面；而此濾波組件正是所謂的「橋接器（bridge）」。如此設(shè)計的優(yōu)點是：可以維持0V參考（映像）平面的完整性。這是控制高頻EMI所必需的，還可以提供一個最佳的射頻回傳路徑。
　　
為什么不能使用電感呢？這從附圖四中，可以得到答案。在直流電壓或低頻訊號的范圍內(nèi)，鐵粉芯的阻抗趨近于0，這對直流電壓和低頻訊號而言，可以忽略不計，亦即，鐵粉芯導(dǎo)線好像不存在一樣。但當(dāng)達到高頻的范圍時，在供電線路中會產(chǎn)生射頻電流，此時，鐵粉芯的電阻會持續(xù)增加，阻抗也因此直線上升。直到某個特定的頻率值，鐵磁材質(zhì)停止作用，阻抗也維持在最高值，不再變化。這是像鐵粉芯這種鐵磁材料所特有的物理特性。
　　
本質(zhì)上，鐵粉芯具有一個大的射頻電阻，可以阻絕射頻能量在兩個分離區(qū)域之間傳輸。而電感具有一個大的電感值（L），它的感抗（inductive reactance）值是jωL。但在傳輸路徑上，感抗是最不被歡迎的。在電感兩端會存在寄生電容，而且，在電感線圈和0V參考平面之間也會有電容存在。由于L和C的作用，于是一個諧振（resonant）電路就這樣產(chǎn)生了。藉此，在達到某個特定頻率時，射頻電流可以在兩個隔離區(qū)域之間流動，而這些射頻電流會影響電路的正常功能。因此，供電線路或高頻電路必須經(jīng)過鐵粉芯過濾。

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圖三：各種不同的分離平面

　　
如果一個分離平面只包含低頻電路（模擬），而另一個分離平面具有高頻的交換電路（數(shù)字），這時通常需要使用鐵粉芯將它們之間的電源平面和接地平面隔離。不過，這得依照產(chǎn)品的功能和廠商對電源和平面隔離的需要而定。當(dāng)不允許高頻能量在兩區(qū)域之間傳輸時，才需要使用這種技術(shù)。如果兩區(qū)域都僅包含低頻組件，而且不會受到高頻的射頻能量之威脅（例如：因高速切換所產(chǎn)生的噪聲），則不需要使用鐵粉芯組件，只要使用「單點接地（single-point ground）」（單點共同接地）即可。

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圖四：鐵粉芯的效能特性