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EMI/EMC設計講座：映像平面的分割與隔離(下)

2014/10/09

Lee

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設計I/O電路時，有兩個地方很重要，那就是：功能子系統和「安靜區域（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」，它位于一個控制區塊與一個隔離區域之間。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域，而且不能跨過「壕溝」。如果在隔離區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域和主控區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塊內，所以必須采用隔離或過濾方法。從數字繞至模擬區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」。也可能需要一個穩壓器（voltage regulator）。通常，「壕溝」是100%地圍繞著被分割的模擬電源區域。

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，致使平面上的銅區塊減少，不連續的區域就變大了。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的區塊。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域（不連續區域）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，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。