EMI/EMC設(shè)計(jì)講座（五）映像平面的分割與隔離

　　
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(gè)高能量脈沖被注入至I/O連接器中，這個(gè)能量可能會(huì)跑到主控區(qū)域，并造成永久性的傷害。因此，這個(gè)能量脈沖必須經(jīng)由一個(gè)阻抗非常小的路徑，流向底盤(pán)的接地面。

　　將「橋梁」的兩端接地的另一個(gè)理由是，可以去 除射頻接地噪聲電壓，這個(gè)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(gè)底盤(pán)接地點(diǎn)上，使用去耦合電容來(lái)移除此射頻能量（交流波形）。附圖四是當(dāng)使用數(shù)字和模擬分割時(shí)，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(huì)注入至模擬區(qū)塊內(nèi)，所以必須采用隔離或過(guò)濾方法。從數(shù)字繞至模擬區(qū)塊的所有走線必須經(jīng)過(guò)「橋梁」。對(duì)模擬電源而言，必須使用一個(gè)鐵粉芯導(dǎo)線來(lái)跨越「壕溝」。也可能需要一個(gè)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(lái)，不過(guò)這必須經(jīng)由一個(gè)「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(gè)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(dāng)一個(gè)組件內(nèi)部是采用這種分割方法來(lái)設(shè)計(jì)時(shí)，則在PCB布線時(shí)，模擬和數(shù)字接地只需要一個(gè)接地連接線（亦即，共享一個(gè)接地線）。只有當(dāng)組件內(nèi)部有將AGND和DGND分開(kāi)時(shí)，AGND和DGND才需要彼此以「壕溝」隔開(kāi)。在 進(jìn)行PCB布線時(shí)，工程師必須事先詢(xún)問(wèn)組件供貨商，要如何正確地隔離或連接AGND和DGND。

　　
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(cuò)誤地使用它，將會(huì)造成嚴(yán)重的電磁干擾問(wèn)題。一個(gè)映像平面要能夠有效，所有的訊號(hào)走線必須與一個(gè)固定平面相鄰，而且不能跨越銅線的隔離區(qū)域。不過(guò)，使用某些特殊的走線繞線技術(shù)卻是例外。如果一條訊號(hào)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(gè)固定平面內(nèi)繞線，則這個(gè)固定平面將被切割成許多個(gè)小部份。一個(gè)接地或射頻訊號(hào)返回回路的設(shè)計(jì)規(guī)則，目前已經(jīng)被建立起來(lái)，這是在相鄰的電路板層之間測(cè)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(méi)有被正確地使用。這種射頻回路的產(chǎn)生，是因?yàn)樯漕l電流無(wú)法在訊號(hào)走線內(nèi)找到一條直接的、低阻抗的返回路徑。

　　附圖六說(shuō)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(wú)法成為一個(gè)固定的0 V參考點(diǎn)，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(huì)產(chǎn)生射頻電場(chǎng)。在一個(gè)映射平面上的通孔（via）并不會(huì)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(gè)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(gè)電源或接地平面上使用過(guò)多的穿洞組件，將會(huì)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(gè)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(dòng)，而訊號(hào)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(guò)插槽或洞孔。其結(jié)果是，必須增加走線的長(zhǎng)度，才能傳送返回電流。增長(zhǎng)的走線長(zhǎng)度會(huì)使返回走線的電感值增加。因?yàn)镋 = L(dI/dt)，當(dāng)返回路徑的電感值增加時(shí)，訊號(hào)走線與射頻電流返回路徑之間的差模耦合效果就會(huì)降低，磁通相抵（flux cancellation）的效果也會(huì)減少。對(duì)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(hào)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(hào)走線是沿著穿洞區(qū)域（不連續(xù)區(qū)域）行走，則一個(gè)固定的映射平面（射頻返回路徑）將會(huì)沿著所有的訊號(hào)路徑存在著。在附圖七右側(cè)，因?yàn)榻拥仄矫鏇](méi)有不連續(xù)，所以走線長(zhǎng)度可以縮短。相反的，在附圖七左側(cè)，如果走線長(zhǎng)度增加，就會(huì)增加電感值。當(dāng)走線長(zhǎng)度增加后，會(huì)造成能量反射，破壞訊號(hào)的完整性和應(yīng)有的功能，也會(huì)產(chǎn)生射頻電流回路，如同天線一樣。

　　為了縮短走線的長(zhǎng)度，而必須使訊號(hào)走線穿過(guò)PCB的插槽或洞孔時(shí)，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(shuō)：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(guò)，這種方法可能會(huì)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(lái)解決。

　　
圖七：使用穿洞組件時(shí)的接地回路

　　
圖八：利用電容使射頻返回電流可以穿越「壕溝」