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EMI/EMC設(shè)計講座:映像平面的分割與隔離(下)_高都電子PCB

2019-08-27 19:14:10

設(shè)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(guān)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。
  

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(shù)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(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(shè)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(wǎng)絡(luò)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(nèi)。
  

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(nèi)。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(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。

  EMI/EMC設(shè)計講座:映像平面的分割與隔離(下)_高都電子PCB

  
圖三:跨越「壕溝」的「橋梁」
 

  EMI/EMC設(shè)計講座:映像平面的分割與隔離(下)_高都電子PCB

  
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(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(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。 

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(gòu)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(shè)計時,則在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,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。
 

  EMI/EMC設(shè)計講座:映像平面的分割與隔離(下)_高都電子PCB 
  圖五:數(shù)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(shù)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,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(shè)計規(guī)則,目前已經(jīng)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(chǎn)生,是因為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(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能力,但接地插槽(ground slot)除外。
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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(guān)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(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(yīng)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(jié)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(cè),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(cè),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(yīng)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(chǎn)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。
 

  EMI/EMC設(shè)計講座:映像平面的分割與隔離(下)_高都電子PCB

圖七:使用穿洞組件時的接地回路

 

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圖八:利用電容使射頻返回電流可以穿越「壕溝」

 

 

 

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