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EMI/EMC設計講座(五)映像平面的分割與隔離

作者: 時間:2012-04-27 來源:網(wǎng)絡 收藏

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/177392.htm

  不正確的壕溝

  
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)字和模擬時,走線要如何繞線的情形。由于數(shù)字供電平切換噪聲(switching noise)可能會注入至模擬區(qū)塊內,所以必須采用或過濾方法。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,在同一個封裝構造內,將它們的模擬接地(AGND)和數(shù)字接地(DGND)連接在一起。當一個組件內部是采用這種分割方法來時,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,要如何正確地或連接AGND和DGND。

  數(shù)字地模擬地

  
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)并不會減弱該平映射能力,但接地插槽(ground slot)除外。

平面層

  
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,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,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。

  返回電流

  
圖七:使用穿洞組件時的接地回路

  電容返回高頻電流

  
圖八:利用電容使射頻返回電流可以穿越「壕溝」

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