1、EMI/EMC設計講座五映像平面的分割與隔離設計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.功能子系統(tǒng)每一個I/O應該被視為PCB的不同區(qū)塊,由于它們各自具有獨特的功能與應用.為了預防在子系統(tǒng)之間產(chǎn)生射頻耦合,所以必須做分割.一個功能子系統(tǒng)包含了一堆組件,以及相關的支持電路.組件與組件相互緊鄰,可以縮短走線繞線的長度,并提升各功能區(qū)塊 的效能.每一位硬件和 PCB工程師通常會試著將組件集合在一起,但是由于各種原因,有 時這是行不通的.在布線layout 時,I/O子系統(tǒng)的處理方式和其它 PCB區(qū)塊不一樣,這 通常是經(jīng)由布線切割到達的.布

2、線切割增強了訊號的質量和功能的完整性,由于這樣可以預防產(chǎn)生具有高頻寬的發(fā)射器,例如：背板互連、視訊裝置、數(shù)據(jù)接口、以太限制器、SCSI裝置、CPU、毀損的串行或平行、視訊、音頻、異步/同步通訊端口、軟盤限制器、前端顯示器、區(qū)域和廣域網(wǎng)絡限制器等.每一個I/O子系統(tǒng)必須被當成不同的 PCB 一樣.安靜區(qū)域安靜區(qū)域是和數(shù)字電路、模擬電路、供電和接地平面隔離的區(qū)域.這種隔離可以避免其它PCB區(qū)塊內(nèi)的噪聲源,破壞了敏感電路.例如：來自數(shù)字區(qū)塊的供電平面噪聲,滲 入至模擬裝置模擬區(qū)塊、音頻裝置音頻區(qū)塊、I/O濾波器、互連電路 等的供電接 腳,如附圖一.與數(shù)位區(qū)塊隔絕圖一：安靜區(qū)域每一個I/O埠或區(qū)塊必須

3、有一個切割的安靜接地或功率平面.低頻I/O埠可以使用靠近于連接器的高頻電容通常是470 pF至1,000 pF 往返避bypass .PCB上的走線繞線必須限制好,以免再次耦合的射頻電流流入纜線的屏蔽shield內(nèi).一個干凈的安靜接地必須位于全部纜線離開系統(tǒng)的點上.供電和接地平面必須同等 對待,由于這兩種平面都是射頻返回電流的可能路徑.從交換裝置到I/O限制電路的射頻返回電流,會將高頻寬的交換式射頻噪聲帶至I/O纜線和互聯(lián)機路中.為了建立一個安靜的區(qū)域,所以必須做分割.這個安靜區(qū)域可能是：:100%與I/O訊號隔離,訊號不管是進入或離開都必須透過一個隔離的變壓器.2 數(shù)據(jù)線路data line

4、 必須過濾.3透過一個高阻抗共模電感來過濾,或者使用一個鐵粉芯導線 ferrite bead-o n-lead 來保護.分割的主要目的是要把不干凈的供電、接地平面和其它功能區(qū)域,與干凈或安靜的區(qū)域分開.隔離和分割隔離和分割是指組件、電路、供電平面從其它功能裝置、區(qū)域和子系統(tǒng)中分開.假設EMI問題,允許射頻電流以輻射或電導方式,被傳送至電路板的其它部位,這不僅會造成也會破壞應有的正常功能.隔離是使電路板上的某區(qū)域之所有平面沒有銅線存在,此沒有銅線存在的區(qū)域被稱為壕溝(moat ).沒有銅線存在的區(qū)域寬度通常是0.05英吋.換句話說,一個隔離的區(qū)域是電路板上的一個孤島,類似一個具有城池的城堡.只有

5、那些需要與它作業(yè)或互連的 走線,才能與這個隔離區(qū)域相連接.對訊號和走線而言,壕溝就是一個隔離地帶,這些訊號和走線與隔離區(qū)域、或隔離區(qū)域的接口無關.有兩種方法可以將走線、供電、接地平面連接至這個孤島上.第一種方法是使用隔離的變壓器、光學隔離器、或共模數(shù)據(jù)線過濾器,來跨越壕溝.第二種方法是使用壕溝上的一個橋梁.隔離也被應用在將高頻寬組件與低頻電路分開的場合；此外,它也被應用于使I/O界面維持在低的 EMI頻寬一亦即從I/O互連電路傳播出來的射頻頻譜 大小.方法一：隔離這是使用隔離的變壓器或光學隔離器來達成的.一個I/O區(qū)域必須與PCB的其它部位100%隔絕.只有在金屬的I/O連接器上,射頻訊號會和

6、底盤的接地平面結合,而且只 有透過一個低阻抗、高質量的保護路徑來接地.此外,必須將底盤的接地平面和這個隔離區(qū) 域分開.有時由于設計的需要,必須在I/O纜線的屏蔽接地(或編織隔離)至底盤接地之間使用旁路電容,以取代直接連接.屏蔽接地或泄漏線路(drain wire )是指在接口連接器上的一根獨立接腳或線路,和外部I/O纜線的內(nèi)部泄漏線路與它的聚酯薄膜(mylar foil )屏蔽相連接,聚酯薄膜屏蔽也位于該纜線內(nèi)部.在任何情況下,都不能使用尾導線( pigtail wire )將BNC連接器的外層與底盤的 接地面或任何接地系統(tǒng)連接在一起.測量結果顯示,同樣在15至200MHz范圍內(nèi)工作的兩個射頻

7、訊號,一個在尾導線內(nèi)傳輸,另一個在對BNC連接器外層做360度連接的纜線屏蔽內(nèi)傳輸,它們之間會有 40至50dB的誤差.這除了可以降低射頻輻射以外,同時也可以提升 ESD的免疫水平,由于當發(fā)生 ESD時,它的導線電感值比擬小.對大多數(shù)應用而言,最好 能將纜線屏蔽連接至 BNC連接器外層,并且做360度的連接.這個連接器后蓋(backshell)最后和一個隔離壁bulkhead 面板結合,此隔離壁包含了一個金屬面,可以和底盤的接 地面連接.共模數(shù)據(jù)線過濾器可以和隔離的變壓器結合,以延伸共模抑制commo n-moderejection 的效果.共模數(shù)據(jù)線過濾器通常是螺旋管形可以在模擬和數(shù)字訊號應

8、用中使 用.這些過濾器可以將在訊號線至I/O區(qū)塊或纜線中傳輸?shù)墓材Ｉ漕l電流降至最小.如果在隔離區(qū)域內(nèi)需要電源和接地,例如：一個鍵盤或鼠標需要+5 VDC,此時可以使用一個鐵粉芯導線來穿越壕溝,藉此形成電源走線和一條回傳走線,此回傳走線的寬度是電源走線 的三倍.使用一個共模的螺旋管體toroid 來連接電源和接地,也是一種適宜的方法.必要時,二次側的短路保險絲為了保護產(chǎn)品的使用平安可以位于鐵粉芯的任何一邊.有時, 必須使用去耦合電容,來移除已經(jīng)過濾過的I/O電源中的數(shù)字噪聲. 這個額外的去耦合電容之一端可以位于鐵粉芯的過濾側輸出端,另一端位于隔離的接地平面上.電源過濾組件可以跨越過壕溝,在電路板

9、的最外側邊緣上.電源與接地走線必須彼此相鄰,以減少射 頻接地回路的大??；如果它們分別位于壕溝的兩側,彼此相對的話,在它們之間就會產(chǎn) 生射頻接地回路.范例詳如附圖二所示.接地走線去耦合電容鐵粉芯導線O最正確的接地連接處隔變圖二：使用隔離法來跨越壕溝方法二：橋接這個方法是使用一個橋接電路,它位于一個限制區(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(chǎn)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

10、兩個不同區(qū)域之間,會產(chǎn)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.HPcw運接至底盤接地面I/O連接I/O連接圖三：跨越壕溝的橋梁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,而接地平面那么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

11、來跨越壕溝,但只有已經(jīng)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(nèi)不需要模擬或數(shù)字電0V 接地平面,且參考到主要源,那么這個未使用到的電源平面可以再次被定義為第二個 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)行以下兩項功能：-它可以移除在供電網(wǎng)絡中的高頻的共模射頻

12、成份(接地噪聲電壓),預防它被耦合至分割的區(qū)域內(nèi).5 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(nèi).藉此,能夠改善接地回路的限制.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(jīng)由其它路徑到達底盤的接地面,譬如：在I/O纜線內(nèi)的射頻電流.將橋梁的兩端接地也可以增加ESD的免疫水平.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(jīng)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

13、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,那么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(shù)字和模擬分割時,走線要如何繞線的情形.由于數(shù)字供電平面的切換噪聲(switching noise )可能會注入至模擬區(qū)塊內(nèi),所以必須采用隔離或過濾方法.從數(shù)字繞至 模擬區(qū)塊的所有走線必須經(jīng)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.訊號返回正確地使用壕溝並沒有一個映射平面壕溝類比區(qū)塊此區(qū)威只存在

14、類比訊號走線數(shù)位接地如果橋樑是供作 接地之用.則數(shù)位和 類比接地電壓51竽 是相同的一圖五：數(shù)字和模擬分割的概念訊般線不正礪地跨越“壕溝“大的迴路區(qū)域,會產(chǎn)生共模射頻 能量因爲沿著全部的走線路徑圖四：不正確使用壕溝的例子某些模擬組件需要將模擬接地與數(shù)字接地連接起來,不過這必須經(jīng)由一個橋梁才行.如附圖五所示.有許多模擬 -數(shù)字和數(shù)字-模擬裝置,在同一個封裝構造內(nèi),將它們的 模擬接地AGND 和數(shù)字接地DGND 連接在一起.當一個組件內(nèi)部是采用這種分割方 法來設計時,那么在 PCB布線時,模擬和數(shù)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(nèi)部有將 AGND和DGND分開時,AGN

15、D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.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(nèi)繞線,那么這個固 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)那么,目前已經(jīng)被建立起來,這是在相鄰的電路板層之間

16、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(chǎn)生, 是由于射頻電流無法在訊號走線內(nèi)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(jīng)無法成為一個固定的0V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(chǎn)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水平,但接地插槽(ground slot ) 除外.廁艇回 路徑包圍I I 的走線怦面上妁J 插槽)射頻返回雷流 產(chǎn)生一個大的 迴路區(qū)域和天線/訊號走線r/訊號平面/ £ / *映射平面；圖六：走線不正確地使

17、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(chǎn)生所謂的瑞士奶酪病癥(SwissCheese 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,而訊號走線那么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.由于E = L(dl/dt),當返回路徑的電感值增加

18、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正確方法是：降低返回路徑和固定平面上的電感值.1CO0O8U0O0O8OOOOCWOOCCOOO訊號于°0000穿洞IC肘頻返回電流接地平面圖七：使用穿洞組件時的接地回路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,那么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,由于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(chǎn)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