EMI/EMC講座:多層通孔和分離平面的概念
在走線路徑上使用通孔(via),是任何高速傳輸技術(shù)極關(guān)切的課題,因為它會產(chǎn)生電磁干擾和串音。此外,在分離的平面之間,絕不能發(fā)生互相重迭(overlay),這是PCB電路設(shè)計者最關(guān)心的問題之一。本文將介紹多層通孔、跳接、接地走線的概念及其之間關(guān)系,與各種分離平面的布線技巧,并說明可隔離電源和接電平面的鐵粉芯(ferrite)材質(zhì)之效能特性。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/190585.htm多層通孔
當(dāng)要將頻率(clock)訊號或高威脅性訊號由來源端繞線(routing)至負(fù)載端時,通常會經(jīng)過走線(trace)到達一個繞線平面(routing plane),例如:X軸,然后經(jīng)過相同的走線到達另一個平面----例如:Y軸。而且假設(shè)每一個走線是與一個射頻回傳路徑(RF return path)緊鄰,則沿著全部的走線路徑,就可以與共模射頻電流(common-mode RF current)緊密耦合。不過,在實務(wù)上,這種假設(shè)只有一部份是正確的。
當(dāng)一個訊號走線從一電路層跳至另一電路層時,射頻回傳電流應(yīng)該沿著走線路徑流動。當(dāng)一個走線在兩個平面結(jié)
構(gòu)之間,穿過一個PCB時,通常會將它們視為電源平面和接地平面,或者說這兩個平面具有相同的電位,而回傳電流在這兩個平面之間共享?;貍麟娏魑ㄒ豢梢栽谶@兩個平面之間跳接(jump),是在去耦合電容的位置上。如果這兩個平面具有相同的電位,例如:0V(參考電壓),則射頻回傳電流將會在連接兩平面的通孔處發(fā)生跳接,而此通孔是供給一個組件使用。
當(dāng)從一個水平層跳接至一個垂直層,射頻回傳電流是無法完全如此跳接的。這是因為在走線路徑上,有一個「不連續(xù)(discontinuity)」,那就是通孔?;貍麟娏鳜F(xiàn)在必須尋找一個替代的低電感(阻抗)路徑,如此才能完成它的回路。這個替代路徑可能不在通孔旁邊,結(jié)果,在訊號走在線的射頻電流可能會耦合至其它電路中,并產(chǎn)生串音(crosstalk)和電磁干擾的問題。下列的設(shè)計技巧,能夠有效地減少因為電路層之間的跳接所產(chǎn)生的串音和電磁干擾問題:
1. 首先,只在一個繞線層對所有的頻率訊號和高威脅性訊號做繞線,也就是說:X軸和Y軸回路都是在相同的平面上。PCB電路設(shè)計者可能會放棄這個技巧,因為它幾乎無法支持「自動繞線(autorouting)」。
2. 一個固定的射頻回傳路徑必須緊鄰繞線層。而且,不因為使用通孔或走線跳接到另一個繞線平面,而造成回路不連續(xù)。
如果必須在水平和垂直的繞線平面之間,使用一個通孔來繞線,設(shè)計者必須在每一個通孔位置使用接地通孔(率先將接地通孔應(yīng)用到PCB的人是W. Michael King),訊號軸是在這些位置上跳接的。接地通孔的電位永遠是0V。
接地通孔是直接與每個訊號回路通孔相鄰,從水平平面繞至垂直平面。只有當(dāng)PCB內(nèi)部具有一個以上的0V參考平面時,才能使用接地通孔。這個通孔和所有的接地平面(0V 參考電壓)連接,成為訊號跳接電流的射頻回傳路徑。本質(zhì)上,這個通孔和0V參考平面結(jié)合在一起,并和訊號走線的位置相鄰并行。當(dāng)每一個訊號走線的通孔使用兩個接地通孔時,將會有一個連續(xù)的射頻回傳路徑存在,射頻回傳電流會在它上面流動。這個接地通孔將維持一個固定的射頻回傳路徑(經(jīng)由映像平面),與訊號回路完全相鄰。
當(dāng)只存在一個0V參考(接地)平面,而且替代平面的電壓是一般PCB四層板常使用的值時,會發(fā)生什么事呢?為了維持一個固定的射頻回傳路徑,此時,0V參考平面必須充當(dāng)為主要的回傳路徑。訊號走線必須穿過這個0V參考平面。當(dāng)走線必須穿過電源平面時,就必須使用接地走線;在接地走線的兩端使用通孔,與訊號走線平行,穿過電源平面,與0V參考平面連接。使用這種方法,就可以維持一個固定的射頻回傳路徑。如附圖一所示。
圖一:PCB四層板的接地走線之繞線
當(dāng)必須在電路層之間跳接時,要如何才能減少使用接地通孔呢?在正確的PCB電路設(shè)計中,最優(yōu)先的是頻率訊號的繞線,它是屬于「人工繞線」。在對這些優(yōu)先的少數(shù)走線(例如:所有的頻率訊號和高威脅性訊號)做繞線時,PCB電路設(shè)計者的選擇是比較多的,他們可以使用最短的走線距離(shortest Manhattan length)來繞線,使跳接位置緊鄰組件的接地通孔。此跳接將共享該組件的接地腳位之通孔。對這組件而言,此接地通孔將提供0V參考電壓,并允許射頻回傳電流產(chǎn)生一個跳接。如附圖二所示。
圖二:優(yōu)先的少數(shù)走線之人工繞線范例
分離平面
當(dāng)使用多層板的PCB時,位于同一平面上的電源平面和接地平面有時會被分開。例如:將模擬電路和數(shù)字邏輯分開、I/O互連電路的隔離、不同參考電壓的分割(例如:將+5V區(qū)域和-48V區(qū)域分割)、組件的隔離,但這些都需要射頻回傳路徑。經(jīng)定義好的射頻回傳路徑可以被比喻為一個道路路線圖,射頻回傳電流只在已經(jīng)定義好的路徑上流動。
如果在一個平面上發(fā)生重迭,則必須在重迭的區(qū)域之間使用電容(大小是有限值)。如附圖三所示,C1允許射頻能量(是一個交流波形),穿過一個噪聲平面,到達一個分開的、隔離的、安靜的平面,這是很糟糕的設(shè)計。這些平面的直流電壓是不變的,因為在這些平面之間,有使用濾波器來傳遞直流電壓。
如果需要隔離特定的高頻電路,可以使用「鐵粉芯導(dǎo)線(ferrite bead-on-lead)」,而不是電感,來隔離電源平面,或?qū)㈦娫雌矫婧徒拥仄矫娓綦x。不過,使用這種方法時,必須很小心。如果兩平面都包含了高頻的射頻噪聲,則通常要將電源平面和接地平面隔離。如果數(shù)字區(qū)域和模擬區(qū)域都需要一個共同的接地平面,而且需要模擬電源,則只能使用鐵粉芯導(dǎo)線來銜接分割的電源平面。
當(dāng)PCB內(nèi)出現(xiàn)分離平面(split plane)時,共同的接地平面必須直接位于離散濾波組件下方。所有訊號走線必須緊鄰此接地平面;而此濾波組件正是所謂的「橋接器(bridge)」。如此設(shè)計的優(yōu)點是:可以維持0V參考(映像)平面的完整性。這是控制高頻EMI所必需的,還可以提供一個最佳的射頻回傳路徑。
為什么不能使用電感呢?這從附圖四中,可以得到答案。在直流電壓或低頻訊號的范圍內(nèi),鐵粉芯的阻抗趨近于0,這對直流電壓和低頻訊號而言,可以忽略不計,亦即,鐵粉芯導(dǎo)線好像不存在一樣。但當(dāng)達到高頻的范圍時,在供電線路中會產(chǎn)生射頻電流,此時,鐵粉芯的電阻會持續(xù)增加,阻抗也因此直線上升。直到某個特定的頻率值,鐵磁材質(zhì)停止作用,阻抗也維持在最高值,不再變化。這是像鐵粉芯這種鐵磁材料所特有的物理特性。
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