EMI/EMC設計講座（五）映像平面的分割與隔離

　設計I/O電路時(shí)，有兩個(gè)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(shuō)明。

功能子系統

　　每一個(gè)I/O應該被視為PCB的不同區塊，因為它們各自具有獨特的功能與應用。為了避免在子系統之間產(chǎn)生射頻耦合，所以必須做分割。一個(gè)功能子系統包含了一堆組件，以及相關(guān)的支持電路。組件與組件相互緊鄰，可以縮短走線(xiàn)繞線(xiàn)的長(cháng)度，并提高各功能區塊的效能。每一位硬件和PCB工程師通常會(huì )試著(zhù)將組件集合在一起，但是由于各種原因，有時(shí)這是行不通的。在布線(xiàn)（layout）時(shí)，I/O子系統的處理方式和其它PCB區塊不一樣，這通常是經(jīng)由布線(xiàn)切割達到的。

　　布線(xiàn)切割加強了訊號的質(zhì)量和功能的完整性，因為這樣可以防止產(chǎn)生具有高頻寬的發(fā)射器，例如：背板互連、視訊裝置、數據接口、以太控制器、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(pán)控制器、前端顯示器、區域和廣域網(wǎng)絡(luò )控制器…等。每一個(gè)I/O子系統必須被當成不同的PCB一樣。

安靜區域

　　「安靜區域」是和數字電路、模擬電路、供電和接地平面隔離的區域。這種隔離可以避免其它PCB區塊內的噪聲源，破壞了敏感電路。例如：來(lái)自數字區塊的供電平面噪聲，滲入至模擬裝置（模擬區塊）、音頻裝置（音頻區塊）、I/O濾波器、互連電路…..等的供電接腳，如附圖一。

　　
圖一：安靜區域

　　每一個(gè)I/O埠（或區塊）必須有一個(gè)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）來(lái)回避（bypass）。

　　PCB上的走線(xiàn)繞線(xiàn)必須控制好，以免再次耦合的射頻電流流入纜線(xiàn)的屏蔽（shield）內。一個(gè)干凈的（安靜）接地必須位于全部纜線(xiàn)離開(kāi)系統的點(diǎn)上。供電和接地平面必須同等對待，因為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控制電路的射頻返回電流，會(huì )將高頻寬的交換式射頻噪聲帶至I/O纜線(xiàn)和互聯(lián)機路中。

　　為了建立一個(gè)安靜的區域，所以必須做分割。這個(gè)安靜區域可能是：

　　1. 100%與I/O訊號隔離，訊號不管是進(jìn)入或離開(kāi)都必須透過(guò)一個(gè)隔離的變壓器。

　　2. 數據線(xiàn)路（data line）必須過(guò)濾。

　　3. 透過(guò)一個(gè)高阻抗共模電感來(lái)過(guò)濾，或者使用一個(gè)鐵粉芯導線(xiàn)（ferrite bead-on-lead）來(lái)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域，與干凈或安靜的區域分開(kāi)。

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、區域和子系統中分開(kāi)。若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(huì )造成EMI問(wèn)題，也會(huì )破壞應有的正常功能。

　　隔離是使電路板上的某區域之所有平面沒(méi)有銅線(xiàn)存在，此沒(méi)有銅線(xiàn)存在的區域被稱(chēng)為「壕溝（moat）」。沒(méi)有銅線(xiàn)存在的區域寬度通常是0.05英??；瘓浠八擔一個(gè)隔離的區域是電路板上的一個(gè)「孤島」，類(lèi)似一個(gè)具有城池的城堡。只有那些需要與它作業(yè)或互連的走線(xiàn)，才能與這個(gè)隔離區域相連接。對訊號和走線(xiàn)而言，「壕溝」就是一個(gè)隔離地帶，這些訊號和走線(xiàn)與隔離區域、或隔離區域的接口無(wú)關(guān)。

　　有兩種方法可以將走線(xiàn)、供電、接地平面連接至這個(gè)「孤島」上。第一種方法是使用隔離的變壓器、光學(xué)隔離器、或共模數據線(xiàn)過(guò)濾器，來(lái)跨越「壕溝」。第二種方法是使用「壕溝」上的一個(gè)「橋梁」。隔離也被應用在將高頻寬組件與低頻電路分開(kāi)的場(chǎng)合；此外，它也被應用于使I/O界面維持在低的EMI頻寬----亦即從I/O互連電路傳播出來(lái)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(xué)隔離器來(lái)達成的。一個(gè)I/O區域必須與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(huì )和底盤(pán)的接地平面結合，而且只有透過(guò)一個(gè)低阻抗、高質(zhì)量的保護路徑來(lái)接地。此外，必須將底盤(pán)的接地平面和這個(gè)隔離區域分開(kāi)。有時(shí)由于設計的需要，必須在I/O纜線(xiàn)的屏蔽接地（或編織隔離）至底盤(pán)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(xiàn)路（drain wire）是指在接口連接器上的一根獨立接腳或線(xiàn)路，和外部I/O纜線(xiàn)的內部泄漏線(xiàn)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(xiàn)內部。

　　在任何情況下，都不能使用尾導線(xiàn)（pigtail wire）將BNC連接器的外層與底盤(pán)的接地面或任何接地系統 連接在一起。測量結果顯示，同樣在15至200MHz范圍內工作的兩個(gè)射頻訊號，一個(gè)在尾導線(xiàn)內傳輸，另一個(gè)在對BNC連接器外層做360度連接的纜線(xiàn)屏蔽內傳輸，它們之間會(huì )有40至50dB的誤差。這除了可以降低射頻輻射以外，同時(shí)也可以提高ESD的免疫能力，因為當發(fā)生ESD時(shí)，它的導線(xiàn)電感值比較小。對大多數應用而言，最好能將纜線(xiàn)屏蔽連接至BNC連接器外層，并且做360度的連接。這個(gè)連接器后蓋（backshell）最后和一個(gè)隔離壁（bulkhead）面板結合，此隔離壁包含了一個(gè)金屬面，可以和底盤(pán)的接地面連接。

　共模數據線(xiàn)過(guò)濾器可以和隔離的變壓器結合，以延伸共模抑制（common-mode rejection）的效果共模數據線(xiàn)過(guò)濾器（通常是螺旋管形）可以在模擬和數字訊號應用中使用。這些過(guò)濾器可以將在訊號線(xiàn)至I/O區塊或纜線(xiàn)中傳輸的共模射頻電流降至最小。如果在隔離區域內需要電源和接地，例如：一個(gè)鍵盤(pán)或鼠標需要+5 VDC，此時(shí)可以使用一個(gè)鐵粉芯導線(xiàn)來(lái)穿越「壕溝」，藉此形成電源走線(xiàn)和一條回傳走線(xiàn)，此回傳走線(xiàn)的寬度是電源走線(xiàn)的三倍。使用一個(gè)共模的螺旋管體（toroid）來(lái)連接電源和接地，也是一種 合適的方法。必要時(shí)，二次側的短路保險絲（為了保護產(chǎn)品的使用安全）可以位于鐵粉芯的任何一邊。有時(shí)，必須使用去耦合電容，來(lái)移除已經(jīng)過(guò)濾過(guò)的I/O電源中的數字噪聲。這個(gè)額外的去耦合電容之一端可以位于鐵粉芯的過(guò)濾側（輸出端），另一端位于隔離的接地平面上。電源過(guò)濾組件可以跨越過(guò)「壕溝」，在電路板的最外側邊緣上。電源與接地走線(xiàn)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(huà)，在它們之間就會(huì )產(chǎn)生射頻接地回路。范例詳如附圖二所示。

　　　
圖二：使用隔離法來(lái)跨越「壕溝」

　　方法二：橋接

　　這個(gè)方法是使用一個(gè)「橋接電路」，它位于一個(gè)控制區塊與一個(gè)隔離區域之間。橋接的位置是位于「壕溝」無(wú)法流通的地方。透過(guò)它，訊號走線(xiàn)、電源與接地線(xiàn)都可以通過(guò)「壕溝」。如附圖三所示。任何與I/O線(xiàn)路無(wú)關(guān)的走線(xiàn)如果通過(guò)了「壕溝」，就可能會(huì )造成射頻輻射和ESD的問(wèn)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(zhù)它們的走線(xiàn)路徑「映像（image）」回來(lái)。在兩個(gè)不同區域之間，會(huì )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(gè)不同區域之間。因此，這個(gè)方法形成了一個(gè)分割。

　　使用橋接法的好處是和城堡被「城池」包圍的好處類(lèi)似。只有那些擁有「護照」的訊號，可以通過(guò)這個(gè)「橋梁」。由于射頻返回電流必須沿著(zhù)它們的走線(xiàn)路徑「映像」回來(lái)，所以可以使磁通量最小化。這個(gè)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(shí)，只有電源平面是隔離的，而接地平面則可以透過(guò)「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(gè)別過(guò)濾的電路上，它們都需要穩定的電源。在這種情況下，通常會(huì )使用鐵粉芯導線(xiàn)來(lái)跨越「壕溝」，但只有已經(jīng)過(guò)濾過(guò)的電源可以這么做。這個(gè)鐵粉芯必須位于橋梁區域，而且不能跨過(guò)「壕溝」。如果在隔離區域內不需要模擬或數字電源，則這個(gè)未使用到的電源平面可以再次被定義為第二個(gè)0V（接地）平面，且參考到主要的接地平面。當使用一個(gè)「分割平面（split plane）」時(shí)，必須保證穿越過(guò)「橋梁」的走線(xiàn)，確實(shí)沿著(zhù)一個(gè)0V的參考（接地）平面而行，而且不是沿著(zhù)分割的電源平面。

　　當使用橋接法時(shí)，如果底盤(pán)和系統級設計有提供多點(diǎn)接地（multipoint ground），那最好能將「橋梁」的兩端與底盤(pán)或框架（frame）一起接地。將進(jìn)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(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域內。

　　2. 它可以移除渦流（eddy current），這種電流可能存在于底盤(pán)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(gè)阻抗更小的路徑可以當成射頻電流的接地面，如果沒(méi)有它，射頻電流會(huì )經(jīng)由其它路徑到達底盤(pán)的接地面，譬如：在I/O纜線(xiàn)內的射頻電流。

　　
圖三：跨越「壕溝」的「橋梁」