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EMI/EMC設計講座:印刷電路板的映像平面(上)

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(xiàn)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。

映像平面的定義 　　

射頻電流必須經(jīng)由一個先前定義好的路徑或其它路徑，回到電流源；簡言之，這個回傳路徑（return path）就是一種映像平面。映像平面可能是原先的走線的鏡像（mirror image），或位于附近的另一個路徑----亦即，串音（crosstalk）；映像平面也許就是電源平面、接地平面，或者自由空間（free space）。射頻電流會以電容或電感的形式與任何傳輸線耦合，只要此傳輸線的阻抗比先前定義好的路徑的阻抗小。不過，為了符合EMC標準，必須避免讓自由空間成為回傳路徑。
　　
雖然單面PCB可以降低成本，但是這種簡單的結構可能無法符合EMC標準。大多數(shù)的2層或4層結構的PCB具有比較高的訊號完整性，并且可以通過EMC測試。高密度（多層板）的PCB堆棧大約可以為每一對映像平面，提供6dB至8dB的射頻抑制，這是由于消除磁通量所產(chǎn)生的效果。有一個簡單法則可以用來判斷何時應該使用多層板：當頻率速率超過5MHz，或上升時間比5 ns快，就必須使用多層板。

電感的定義
　　
走線和銅質平面都具有數(shù)目有限的電感，當電壓施加到走線或傳輸線時，這些電感會禁止電流產(chǎn)生，所以會使雙導線成為不平衡的共模輻射，磁通量因此無法降低。在電路板結構中，具有三種不同的電感型態(tài)：
　　
●部份電感：存在于導線或PCB走線的電感。
　　
●自身的部份電感：來自于一個導線區(qū)段的電感，相對于無限長的區(qū)段。
　　
●共同的部份電感：一個電感區(qū)段在第二個電感區(qū)段上所產(chǎn)生的效應。
　　
和電容、電阻相比，電感值是最難被測量的。電感代表一個封閉型電流回路的動態(tài)特性。電感是通過封閉回路的磁通量和產(chǎn)生磁通量的電流之比值，其數(shù)學表述式是：Lij=Ψij / li ，Ψ是磁通量，I是回路中的電流。在一個封閉回路中，電感值與回路形狀和大小有關。當設計PCB時，工程師經(jīng)常會忽視走線的電感大小。電感永遠和封閉回路有關。封閉回路的電感效應，可以由部份電感和共同的部份電感的效應來描述。

部份電感
　　
一個導體的內(nèi)部電感，它是由此導體內(nèi)部的磁通量產(chǎn)生的。一個封閉回路的部份電感之加總，等于將每個區(qū)段的部份電感相加后的和，亦即。而每一個區(qū)段的Li就等于Ψi / li， Ψi表示第i個區(qū)段耦合至回路的磁通量，I是在第i個區(qū)段的電流量，Li就是部份電感。因此，不同回路將會有不同數(shù)值的部份電感。我們關注的是部份電感值，而不是走線的總電感值。而且，利用部份電感可以推導出共同的部份電感。

共同的部份電感

可以讓映像平面消除磁通量的主要因素是來自于「共同的部份電感」。磁通量被消除之后，能夠讓磁力線連結，并為射頻電流找到最佳的回傳路徑。自身的部份電感是指特定的回路區(qū)段之電感，和其它回路區(qū)段無關。附圖一是表示一個自身的部份電感，一條走線回路內(nèi)的電流是I，Lp是走線區(qū)段的自身的部份電感。假設此走線是從有限的一端，一直延伸至無限的另一端。
　　
理論上，雖然自身的部份電感與鄰近的導線無關，但實際上，間距很小的相鄰導線會互相改變彼此的自身的部份電感值。這是因為一條導線會和其它導線互動，使得在導線的全部長度上的電流分布不再一致化（uniform）。尤其當兩導線間隔和半徑的比值約小于5:1時，這種情況會更加明顯。　

　　　
圖一：自身的部份電感

　　
在兩條導線之間，會有共同的部份電感存在。共同的部份電感Mp是以平行走線，或導線區(qū)段之間的間距（s）為基礎。Mp是「第一條導線內(nèi)的電流所產(chǎn)生的磁通量（通過第二條導線至很遠的地方）」和「第一條導線所產(chǎn)生的電流」之比值。附圖二是表示一個共同的部份電感。它的等效電路如附圖三所示，此電路的數(shù)學表述式如下所示：

　　
圖二：共同的部份電感

　　
圖三：兩導線之間的共同的部份電感

　　
現(xiàn)在以共同的部份電感之觀念，來考慮在附圖三的電路上傳送訊號，譬如：頻率訊號。V1是在訊號路徑上，V2是在射頻電流回傳路徑上。假設此兩導線構成一個訊號路徑和它的回傳路徑，因此I1= I且I2 = -I。要不是有共同的部份電感存在，此兩導線將無法互相耦合，此電路也無法正常工作，也不會形成一個封閉回路。在附圖三中的電壓降將變成：

　　
由上式中可以知道，若要使電壓降變小，必須增加共同的部份電感值（Mp）。

　　
而增加共同的部份電感之最簡單方法是：將射頻回傳電流的路徑盡量和訊號走線靠近。最佳的設計方法是：在接近訊號走線的附近，使用一個射頻回傳平面，它們之間的距離在可實現(xiàn)的能力范圍之內(nèi)，應該盡量的小。
　　
部份電感永遠存在于導線中，它如同默認值一樣。因此，它就等同于一個具有特定的諧振頻率的天線。「共同的部份電感」可以降低「部份電感」的效應。縮小兩導線的間距，其個別的部份電感就可以降低，這可以符合EMI兼容標準的要求。
　　
為了使共同的部份電感之效應達到最大，在兩導線中的電流必須大小相同，但方向相反。這也是為何映像平面（或接地線）能夠如此有效的原因。在兩條平行的導線之間，有共同的部份電感存在，而這些電感值會隨著兩導線的間距和長度之不同而變化（可以參考導線的技術規(guī)格）。當兩平行導線的間距和長度都最小時，它們的共同的部份電感值會最大。
　　
若在電源和接地平面之間以介電材料分開，此時「共同的部份電感」將扮演什么角色呢？同樣的，只要這兩個平面的間距很小，共同的部份電感值就會很大。此時，在電源平面上所測量到的射頻訊號電流應該為零，
因為它被大小相同、方向相反的射頻回傳電流抵銷了。
　　
此外，須注意的是，如果降低兩導線之間的共同的部份電感值，不僅會減損映像平面的效應，而且會使兩平面之間的電容值增加。