EMI/EMC設計講座（五）映像平面的分割與隔離

　　
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，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設計時，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設計規(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。

　　
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」