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EMI/EMC設計講座:印刷電路板的映像平面(下)
2014/10/09
Lee
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一個映像平面（image plane）是一層銅質導體（或其它導體），它位于一個印刷電路板（PCB）里面。它可能是一個電壓平面，或鄰近一個電路或訊號路由層（signal routing layer）的0V參考平面。1990年代，映像平面的觀念被普遍使用，現在它是工業(yè)標準的專有名詞。本文將說明映像平面的定義、原理和設計。
映像平面的設計
附圖四是在PCB內的映像平面，它具有共同的部份電感。在此圖中，訊號走線的大多數射頻電流將回至接地平面，此平面在訊號走線的正下方。在這個回傳「映像」結構中，射頻回傳電流將遇到一個有限大的阻抗（電感）。此回傳電流會產生一個「電壓梯度（斜率）」（每單位路徑長度的電壓變化率），也稱為「接地噪聲電壓（ground-noise voltage）」。接地噪聲電壓會導致部份的訊號電流通過接地平面的離散電容。
典型的共模電流 是差模電流Idm的1/10n倍（n為小于10的正整數）。不過，共模電流（I1和Icm）會比差模電流（ 和 ）產生更多的輻射。這是因為共模的射頻電流場是相加的，而差模電流場是相減的。
為了降低「接地噪聲電壓」，必須增加走線和其最靠近的映像平面之間的共同的部份電感值。這樣可以為回傳電流提供一條增強的路徑，將映像電流映射回電流源。接地噪聲電壓Vgnd的計算公式如下所示：
Vgnd = Lg dI2/dt - Mgs dI1/dt
附圖四和上式的符號意義如下所示：
Ls = 訊號走線自身的部份電感。
Msg = 訊號走線和接地平面之間的共同的部份電感。
Lg = 接地平面自身的部份電感。
Mgs = 接地平面和訊號走線之間的共同的部份電感。
Cstray = 接地平面的離散（stray）電容。
Vgnd = 接地平面噪聲電壓。
為了降低附圖四中的If，接地噪聲電壓必須減少。最好的方法是：縮小訊號走線和接地平面之間的距離。在大多數的情況下，接地噪聲的降低是有極限的，因為訊號平面和映像平面之間的距離不能小于一個特定值；若低于此值，則電路板的固定阻抗和功能將無法確保。此外，也可以為射頻電流提供額外的路徑，藉此降低接地噪聲電壓。此額外的回傳路徑包含有數條接地線。
圖四：PCB內的接地平面
一個穩(wěn)固的平面會產生共模的輻射。由于共同的部份電感可以降低具輻射性的射頻電流的產生，因此，共同的部份電感也會影響到差模電流和共模電流。而利用映像平面是可以將這些電流大幅地降低的。理論上，差模電流應該等于零，但實際上它無法100%被消除，而剩下來的差模電流會轉變成共模電流。此共模電流正是造成電磁干擾的主要來源。因為在回傳路徑上的剩余的射頻電流，被加到在訊號路徑中的主電流（I1）中，造成訊號嚴重干擾。為了降低共模電流，我們必須將走線平面和映像平面之間的共同的部份電感值增加至最大，以補捉磁通量，藉此消除不需要的射頻能量。差模電壓和電流會產生共模電流，而減少差模電流的方法除了增加共同的部份電感值以外，走線平面和映像平面之間的距離也必須最小。
在PCB內，當有一個射頻回傳平面或路徑存在時，若此回傳路徑被連接至一個參考源，則可以獲得最佳的性能。對TTL和CMOS而言，其芯片內的功率和接地腳位是連接至參考源、電源、接地平面。只有當射頻回傳路徑有和芯片內的功率和接地腳位連接，一個真正的映像平面才會存在。通常，在芯片內會有接地線路，此線路與PCB的接地平面連接，因此產生良好的映像平面。如果將此映像平面移除，則在走線和接地平面之間會產生「虛幻的」映像平面。由于走線之間的距離很小，輻射能量會降低，因此，射頻映像（RF image）會被抵銷。理想的映像平面應該是無限大的，而且沒有分裂、細縫或割痕。
接地和訊號回路
由于回路是射頻能量傳播最主要的媒介，因此，接地或訊號回傳回路控制（return loop control）是抑制PCB內的電磁干擾的最重要設計考慮之一。高速的邏輯組件和振蕩器應該盡量靠近接地電路，以避免形成回路；在此回路中會有渦流（eddy current）存在，此時是以機殼或底座（chassis）接地。渦流是受到不斷變化的磁場感應產生的，它通常是寄生的。附圖五是PC的適配卡插槽和單點接地所形成的回路。在此圖中，有一個額外的訊號回傳回路區(qū)域存在。每個回路將會各別產生一個不同的電磁場和頻譜。射頻電流將會在特定的頻率下，產生電磁輻射場，其輻射能量的大小和回路的面積有關。這時必須使用遮蔽物（containment），以避免射頻電流耦合至其它電路中；或輻射至外部環(huán)境，造成電磁干擾。不過，最好能盡量避免由內部電路產生射頻回路電流（RF loop current）來。
圖五：在PCB內的接地回路
若射頻電流的回傳路徑不存在，此時，可以利用連接至底座的接地線路，或0V參考源來協助移
除掉不良的射頻電流。這也稱為「回路面積控制（loop area control）」。
回路面積的控制
一個被磁場感應的回路，它的電磁場可以用電壓源來表示。這個電壓源大小和回路的總面積成正比。因此，為了降低磁場的耦合效應，必須減少回路的面積。電場「撿拾（pickup）」接收系統也是依靠回路面積，來形成接收天線。
當有一個電場存在時，在電源和接地平面之間，會產生一個電流源。電場不會在線路至線路之間耦合，而會在走線至接地線之間耦合，這就包含了共模電流。但是，對磁場而言，由于電場會伴隨它產生，所以電磁場會在線路至線路之間耦合，也會在走線至接地線之間耦合。
一般人都會忽略在PCB內，于電源和0V參考點之間要設置回路區(qū)域。附圖六的大回路面積是最容易設計的，但也最容易被「靜電釋放（ESD）」或其它場感應，變成一個天線。多層堆棧的PCB可以減輕ESD的破壞，并能減少磁場的產生，避免它輻射至自由空間。在附圖七中，接地平面和電源平面之間，具有一個很小的回路面積。
使用電源和接地平面可以降低電源分配系統的電感值。若將電源分配系統的特性阻抗降低，則可以降低電路板的電壓降。電壓降若變小，則「接地彈跳（ground bounce）」的現象就可以避免。當邏輯閘開關快速切換時，瞬間的電流變化會經由IC接腳，傳送至主機板的電源平面或接地平面，造成輸入參考電壓的波動，進而產生射頻噪聲（RF noise）和電磁干擾，這種現象就稱作「接地彈跳(ground bounce)」。此外，降低特性阻抗的同時，電源平面與接地平面之間的電容值會增加，這個電容值會使得任何的感應電壓值下降，這就是「去耦合（decouple）」的效果。
圖六：綠色區(qū)域是大的回路面積
當訊號線在組件之間穿梭時，大的回路面積就被產生了。但是我們常常會忘記訊號線對EMI的影響。雖然，訊號的完整性（時域）仍然很高，但是，EMI依然存在（頻域），因為訊號回路面積所產生的問題，比電源分配系統所產生的問題多。尤其是從ESD的觀點來分析，更是如此；這是由于ESD會直接進入回路和組件的輸入腳位中。為了降低ESD可能造成的傷害，減少回路面積是最簡單的方法。電源和接地平面分散網絡提供了低阻抗的路徑，能夠將ESD能量傳送至0V的回傳參考平面內。畢竟，回路是回路，如果它們能發(fā)出電磁波，就應該能夠接收電磁波。
除了能降低接地噪聲電壓以外，映像平面也能防止射頻接地回路變大，因為射頻電流緊密地與它們的電流源走線耦合，所以，它不需要另外尋找回傳路徑。當回路控制最大化時，磁通量就被大幅消除了。這是在PCB內，抑制射頻電流的最重要觀念之一。在靠近每一個訊號平面處，正確地配置映像平面，就可以消除共模的射頻電流。傳輸大量的射頻電流的映像平面，必須接地或接至0V參考點。為了移除多余的射頻電壓和渦流，所有接地和底座平面可以透過一個低阻抗的接地電路，連接至底座的接地點。
圖七：具有一個很小的回路面積的PCB布線
接地線的間距
要降低PCB內的回路生成，最簡單的方法是設計許多個接地線，并全部連接至底座的接地點。由于組件的輸出訊號的邊緣速率（edge rate）加快了，所以，多點接地就變成了必要的規(guī)格，尤其當有使用到I/O互連的設計時。當PCB使用多點接地，而且都連接到一個金屬結構上，這時，我們必須知道所有接地線之間的間距是多少。
接地線之間的距離不能超過最高頻率的λ/20，這不僅包括主頻率，也包含諧波頻率。如果某組件的輸出訊號的邊緣速率比較慢，則它連接至底座接地點的數目可以減少，或和接地位置的距離可以增加。例如：一個64MHz的振蕩器的λ/20是23.4公分，若兩個接地線的直線距離大于23.4公分，則很可能會有射頻回路存在，這個回路可能就是射頻能量傳播的來源。
在PCB中的組件布局必須要正確。將不同功能區(qū)塊的接地線緊密相鄰，可以縮短訊號走線的長度、降低反射、并使繞線容易，同時保持訊號的完整性。應該要盡量避免使用通孔（via），因為每一個通孔會增加走線的電感值大約1至3 nH。
此外，為了防止不同的頻寬區(qū)域相互耦合，必須對不同的功能區(qū)塊做正確的分割（partition），其方法有：使用分離的PCB、絕緣、不同的布線….等。正確的分割可以提高電路效能、使繞線容易、縮短走線的長度，并且能縮小回路的面積、提升訊號質量。工程師在布線之前，必須先規(guī)劃好哪些組件是屬于哪一個功能區(qū)塊，而這些信息可以從組件供貨商處獲得。
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