詳談EMI/EMC設(shè)計中的：功能子系統(tǒng)和安靜區(qū)域部分

設(shè)計I/O電路時，有兩個地方很重要，那就是：功能子系統(tǒng)和「安靜區(qū)域（quiet area）」。底下將分別說明。

功能子系統(tǒng)

每一個I/O應(yīng)該被視為PCB的不同區(qū)塊，因為它們各自具有獨特的功能與應(yīng)用。為了避免在子系統(tǒng)之間產(chǎn)生射頻耦合，所以必須做分割。一個功能子系統(tǒng)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，可以縮短走線繞線的長度，并提高各功能區(qū)塊的效能。每一位硬件和PCB工程師通常會試著將組件集合在一起，但是由于各種原因，有時這是行不通的。在布線（layout）時，I/O子系統(tǒng)的處理方式和其它PCB區(qū)塊不一樣，這通常是經(jīng)由布線切割達到的。

布線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(shù)據(jù)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、軟盤控制器、前端顯示器、區(qū)域和廣域網(wǎng)絡(luò)控制器…等。每一個I/O子系統(tǒng)必須被當成不同的PCB一樣。

安靜區(qū)域

「安靜區(qū)域」是和數(shù)字電路、模擬電路、供電和接地平面隔離的區(qū)域。這種隔離可以避免其它PCB區(qū)塊內(nèi)的噪聲源，破壞了敏感電路。例如：來自數(shù)字區(qū)塊的供電平面噪聲，滲入至模擬裝置（模擬區(qū)塊）、音頻裝置（音頻區(qū)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(qū)域

每一個I/O埠（或區(qū)塊）必須有一個切割的（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）來回避（bypass）。

PCB上的走線繞線必須控制好，以免再次耦合的射頻電流流入纜線的屏蔽（shield）內(nèi)。一個干凈的（安靜）接地必須位于全部纜線離開系統(tǒng)的點上。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，會將高頻寬的交換式射頻噪聲帶至I/O纜線和互聯(lián)機路中。

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

1. 100%與I/O訊號隔離，訊號不管是進入或離開都必須透過一個隔離的變壓器。

2. 數(shù)據(jù)線路（data line）必須過濾。

3. 透過一個高阻抗共模電感來過濾，或者使用一個鐵粉芯導(dǎo)線（ferrite bead-on-lead）來保護。

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(qū)域，與干凈或安靜的區(qū)域分開。

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(qū)域和子系統(tǒng)中分開。若允許射頻電流以輻射或電導(dǎo)方式，被傳送至電路板的其它部位，這不僅會造成EMI問題，也會破壞應(yīng)有的正常功能。

隔離是使電路板上的某區(qū)域之所有平面沒有銅線存在，此沒有銅線存在的區(qū)域被稱為「壕溝（moat）」。沒有銅線存在的區(qū)域?qū)挾韧ǔＪ?.05英吋。換句話說，一個隔離的區(qū)域是電路板上的一個「孤島」，類似一個具有城池的城堡。只有那些需要與它作業(yè)或互連的走線，才能與這個隔離區(qū)域相連接。對訊號和走線而言，「壕溝」就是一個隔離地帶，這些訊號和走線與隔離區(qū)域、或隔離區(qū)域的接口無關(guān)。

有兩種方法可以將走線、供電、接地平面連接至這個「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(shù)據(jù)線過濾器，來跨越「壕溝」。第二種方法是使用「壕溝」上的一個「橋梁」。隔離也被應(yīng)用在將高頻寬組件與低頻電路分開的場合；此外，它也被應(yīng)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)隔離器來達成的。一個I/O區(qū)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，射頻訊號會和底盤的接地平面結(jié)合，而且只有透過一個低阻抗、高質(zhì)量的保護路徑來接地。此外，必須將底盤的接地平面和這個隔離區(qū)域分開。有時由于設(shè)計的需要，必須在I/O纜線的屏蔽接地（或編織隔離）至底盤接地之間使用旁路電容，以取代直接連接。屏蔽接地或泄漏線路（drain wire）是指在接口連接器上的一根獨立接腳或線路，和外部I/O纜線的內(nèi)部泄漏線路與它的聚酯薄膜（mylar foil）屏蔽相連接，聚酯薄膜屏蔽也位于該纜線內(nèi)部。在任何情況下，都不能使用尾導(dǎo)線（pigtail wire）將BNC連接器的外層與底盤的接地面或任何接地系統(tǒng) 連接在一起。測量結(jié)果顯示，同樣在15至200MHz范圍內(nèi)工作的兩個射頻訊號，一個在尾導(dǎo)線內(nèi)傳輸，另一個在對BNC連接器外層做360度連接的纜線屏蔽內(nèi)傳輸，它們之間會有40至50dB的誤差。這除了可以降低射頻輻射以外，同時也可以提高ESD的免疫能力，因為當發(fā)生ESD時，它的導(dǎo)線電感值比較小。對大多數(shù)應(yīng)用而言，最好能將纜線屏蔽連接至BNC連接器外層，并且做360度的連接。這個連接器后蓋（backshell）最后和一個隔離壁（bulkhead）面板結(jié)合，此隔離壁包含了一個金屬面，可以和底盤的接地面連接。

共模數(shù)據(jù)線過濾器可以和隔離的變壓器結(jié)合，以延伸共模抑制（common-mode rejection）的效果。共模數(shù)據(jù)線過濾器（通常是螺旋管形）可以在模擬和數(shù)字訊號應(yīng)用中使用。這些過濾器可以將在訊號線至I/O區(qū)塊或纜線中傳輸?shù)墓材Ｉ漕l電流降至最小。如果在隔離區(qū)域內(nèi)需要電源和接地，例如：一個鍵盤或鼠標需要+5 VDC，此時可以使用一個鐵粉芯導(dǎo)線來穿越「壕溝」，藉此形成電源走線和一條回傳走線，此回傳走線的寬度是電源走線的三倍。使用一個共模的螺旋管體（toroid）來連接電源和接地，也是一種 合適的方法。必要時，二次側(cè)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，必須使用去耦合電容，來移除已經(jīng)過濾過的I/O電源中的數(shù)字噪聲。這個額外的去耦合電容之一端可以位于鐵粉芯的過濾側(cè)（輸出端），另一端位于隔離的接地平面上。電源過濾組件可以跨越過「壕溝」，在電路板的最外側(cè)邊緣上。電源與接地走線必須彼此相鄰，以減少射頻接地回路的大小；如果它們分別位于「壕溝」的兩側(cè)，彼此相對的話，在它們之間就會產(chǎn)生射頻接地回路。范例詳如附圖二所示。

圖二：使用隔離法來跨越「壕溝」

方法二：橋接

這個方法是使用一個「橋接電路」，它位于一個控制區(qū)塊與一個隔離區(qū)域之間。橋接的位置是位于「壕溝」無法流通的地方。透過它，訊號走線、電源與接地線都可以通過「壕溝」。如附圖三所示。任何與I/O線路無關(guān)的走線如果通過了「壕溝」，就可能會造成射頻輻射和ESD的問題。其所產(chǎn)生的射頻回路電流，如附圖四所示。射頻電流必須沿著它們的走線路徑「映像（image）」回來。在兩個不同區(qū)域之間，會產(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不同區(qū)域之間。因此，這個方法形成了一個分割。

使用橋接法的好處是和城堡被「城池」包圍的好處類似。只有那些擁有「護照」的訊號，可以通過這個「橋梁」。由于射頻返回電流必須沿著它們的走線路徑「映像」回來，所以可以使磁通量最小化。這個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，只有電源平面是隔離的，而接地平面則可以透過「這座橋」被完整連接。這種技術(shù)常被使用于需要共同接地、或個別過濾的電路上，它們都需要穩(wěn)定的電源。在這種情況下，通常會使用鐵粉芯導(dǎo)線來跨越「壕溝」，但只有已經(jīng)過濾過的電源可以這么做。這個鐵粉芯必須位于橋梁區(qū)域，而且不能跨過「壕溝」。如果在隔離區(qū)域內(nèi)不需要模擬或數(shù)字電源，則這個未使用到的電源平面可以再次被定義為第二個0V（接地）平面，且參考到主要的接地平面。當使用一個「分割平面（split plane）」時，必須保證穿越過「橋梁」的走線，確實沿著一個0V的參考（接地）平面而行，而且不是沿著分割的電源平面。

當使用橋接法時，如果底盤和系統(tǒng)級設(shè)計有提供多點接地（multipoint ground），那最好能將「橋梁」的兩端與底盤或框架（frame）一起接地。將進入口與「橋梁」接地，可以執(zhí)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(qū)域內(nèi)。

2. 它可以移除渦流（eddy current），這種電流可能存在于底盤或適配卡插件箱（card cage）內(nèi)。藉此，能夠改善接地回路的控制。

一個阻抗更小的路徑可以當成射頻電流的接地面，如果沒有它，射頻電流會經(jīng)由其它路徑到達底盤的接地面，譬如：在I/O纜線內(nèi)的射頻電流。

圖三：跨越「壕溝」的「橋梁」

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)字和模擬分割時，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）可能會注入至模擬區(qū)塊內(nèi)，所以必須采用隔離或過濾方法。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(dǎo)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，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(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。當一個組件內(nèi)部是采用這種分割方法來設(shè)計時，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(nèi)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，但是如果錯誤地使用它，將會造成嚴重的電磁干擾問題。一個映像平面要能夠有效，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隔離區(qū)域。不過，使用某些特殊的走線繞線技術(shù)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(nèi)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設(shè)計規(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(nèi)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。由于平面的切割所造成的損失，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(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，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(jié)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(cè)，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(cè)，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(yīng)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。

圖七：使用穿洞組件時的接地回路

圖八：利用電容使射頻返回電流可以穿越「壕溝」