首页 > 电子设计 > PCB设计 > PCB设计 > EMI/EMC设计讲座:映像平面的分割与隔离(上)

EMI/EMC设计讲座:映像平面的分割与隔离(上)

录入：edatop.com 点击：

设计I/O电路时，有两个地方很重要，那就是：功能子系统和「安静区域（quiet area）」。底下将分别说明。

功能子系统
　　
每一个I/O应该被视为PCB的不同区块，因为它们各自具有独特的功能与应用。为了避免在子系统之间产生射频耦合，所以必须做分割。一个功能子系统包含了一堆组件，以及相关的支持电路。组件与组件相互紧邻，可以缩短走线绕线的长度，并提高各功能区块的效能。每一位硬件和PCB工程师通常会试着将组件集合在一起，但是由于各种原因，有时这是行不通的。在布线（layout）时，I/O子系统的处理方式和其它PCB区块不一样，这通常是经由布线切割达到的。
　　
布线切割加强了讯号的质量和功能的完整性，因为这样可以防止产生具有高频宽的发射器，例如：背板互连、视讯装置、数据接口、以太控制器、SCSI装置、CPU、毁损的串行或平行、视讯、音频、异步/同步通讯端口、软盘控制器、前端显示器、区域和广域网络控制器…等。每一个I/O子系统必须被当成不同的PCB一样。

安静区域
　　
「安静区域」是和数字电路、模拟电路、供电和接地平面隔离的区域。这种隔离可以避免其它PCB区块内的噪声源，破坏了敏感电路。例如：来自数字区块的供电平面噪声，渗入至模拟装置（模拟区块）、音频装置（音频区块）、I/O滤波器、互连电路…..等的供电接脚，如附图一。

　　　
图一：安静区域
　　

每一个I/O埠（或区块）必须有一个切割的（安静）接地或功率平面。低频I/O埠可以使用靠近于连接器的高频电容（通常是470 pF至1,000 pF）来回避（bypass）。
　　

PCB上的走线绕线必须控制好，以免再次耦合的射频电流流入缆线的屏蔽（shield）内。一个干净的（安静）接地必须位于全部缆线离开系统的点上。供电和接地平面必须同等对待，因为这两种平面都是射频返回电流的可能路径。从交换装置到I/O控制电路的射频返回电流，会将高频宽的交换式射频噪声带至I/O缆线和互联机路中。
　　

为了建立一个安静的区域，所以必须做分割。这个安静区域可能是：
　　

1. 100%与I/O讯号隔离，讯号不管是进入或离开都必须透过一个隔离的变压器。
　　

2. 数据线路（data line）必须过滤。
　　

3. 透过一个高阻抗共模电感来过滤，或者使用一个铁粉芯导线（ferrite bead-on-lead）来保护。
　　

分割的主要目的是要把不干净的供电、接地平面和其它功能区域，与干净或安静的区域分开。

隔离和分割
　　

隔离和分割是指组件、电路、供电平面从其它功能装置、区域和子系统中分开。若允许射频电流以辐射或电导方式，被传送至电路板的其它部位，这不仅会造成EMI问题，也会破坏应有的正常功能。
　　

隔离是使电路板上的某区域之所有平面没有铜线存在，此没有铜线存在的区域被称为「壕沟（moat）」。没有铜线存在的区域宽度通常是0.05英吋。换句话说，一个隔离的区域是电路板上的一个「孤岛」，类似一个具有城池的城堡。只有那些需要与它作业或互连的走线，才能与这个隔离区域相连接。对讯号和走线而言，「壕沟」就是一个隔离地带，这些讯号和走线与隔离区域、或隔离区域的接口无关。
　　

有两种方法可以将走线、供电、接地平面连接至这个「孤岛」上。第一种方法是使用隔离的变压器、光学隔离器、或共模数据线过滤器，来跨越「壕沟」。第二种方法是使用「壕沟」上的一个「桥梁」。隔离也被应用在将高频宽组件与低频电路分开的场合；此外，它也被应用于使I/O界面维持在低的EMI频宽----亦即从I/O互连电路传播出来的射频频谱大小。
　　

方法一：隔离
　　

这是使用隔离的变压器或光学隔离器来达成的。一个I/O区域必须与PCB的其它部位100%隔绝。只有在金属的I/O连接器上，射频讯号会和底盘的接地平面结合，而且只有透过一个低阻抗、高质量的保护路径来接地。此外，必须将底盘的接地平面和这个隔离区域分开。有时由于设计的需要，必须在I/O缆线的屏蔽接地（或编织隔离）至底盘接地之间使用旁路电容，以取代直接连接。屏蔽接地或泄漏线路（drain wire）是指在接口连接器上的一根独立接脚或线路，和外部I/O缆线的内部泄漏线路与它的聚酯薄膜（mylar foil）屏蔽相连接，聚酯薄膜屏蔽也位于该缆线内部。在任何情况下，都不能使用尾导线（pigtail wire）将BNC连接器的外层与底盘的接地面或任何接地系统连接在一起。测量结果显示，同样在15至200MHz范围内工作的两个射频讯号，一个在尾导线内传输，另一个在对BNC连接器外层做360度连接的缆线屏蔽内传输，它们之间会有40至50dB的误差。这除了可以降低射频辐射以外，同时也可以提高ESD的免疫能力，因为当发生ESD时，它的导线电感值比较小。对大多数应用而言，最好能将缆线屏蔽连接至BNC连接器外层，并且做360度的连接。这个连接器后盖（backshell）最后和一个隔离壁（bulkhead）面板结合，此隔离壁包含了一个金属面，可以和底盘的接地面连接。
　　

共模数据线过滤器可以和隔离的变压器结合，以延伸共模抑制（common-mode rejection）的效果。共模数据线过滤器（通常是螺旋管形）可以在模拟和数字讯号应用中使用。这些过滤器可以将在讯号线至I/O区块或缆线中传输的共模射频电流降至最小。如果在隔离区域内需要电源和接地，例如：一个键盘或鼠标需要+5 VDC，此时可以使用一个铁粉芯导线来穿越「壕沟」，藉此形成电源走线和一条回传走线，此回传走线的宽度是电源走线的三倍。使用一个共模的螺旋管体（toroid）来连接电源和接地，也是一种合适的方法。必要时，二次侧的短路保险丝（为了保护产品的使用安全）可以位于铁粉芯的任何一边。有时，必须使用去耦合电容，来移除已经过滤过的I/O电源中的数字噪声。这个额外的去耦合电容之一端可以位于铁粉芯的过滤侧（输出端），另一端位于隔离的接地平面上。电源过滤组件可以跨越过「壕沟」，在电路板的最外侧边缘上。电源与接地走线必须彼此相邻，以减少射频接地回路的大小；如果它们分别位于「壕沟」的两侧，彼此相对的话，在它们之间就会产生射频接地回路。范例详如附图二所示。

　　　　　
图二：使用隔离法来跨越「壕沟」
　　