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EMI/EMC設計講座:映像平面的分割與隔離(上)

2014/10/09

Lee

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設計I/O電路時，有兩個地方很重要，那就是：功能子系統和「安靜區域（quiet area）」。底下將分別說明。

功能子系統
　　
每一個I/O應該被視為PCB的不同區塊，因為它們各自具有獨特的功能與應用。為了避免在子系統之間產生射頻耦合，所以必須做分割。一個功能子系統包含了一堆組件，以及相關的支持電路。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子系統的處理方式和其它PCB區塊不一樣，這通常是經由布線切割達到的。
　　
布線切割加強了訊號的質量和功能的完整性，因為這樣可以防止產生具有高頻寬的發射器，例如：背板互連、視訊裝置、數據接口、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、區域和廣域網絡控制器…等。每一個I/O子系統必須被當成不同的PCB一樣。

安靜區域
　　
「安靜區域」是和數字電路、模擬電路、供電和接地平面隔離的區域。這種隔離可以避免其它PCB區塊內的噪聲源，破壞了敏感電路。例如：來自數字區塊的供電平面噪聲，滲入至模擬裝置（模擬區塊）、音頻裝置（音頻區塊）、I/O濾波器、互連電路…..等的供電接腳，如附圖一。

　　　
圖一：安靜區域
　　

每一個I/O埠（或區塊）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。一個干凈的（安靜）接地必須位于全部纜線離開系統的點上。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纜線和互聯機路中。
　　

為了建立一個安靜的區域，所以必須做分割。這個安靜區域可能是：
　　

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. 數據線路（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域，與干凈或安靜的區域分開。

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

隔離是使電路板上的某區域之所有平面沒有銅線存在，此沒有銅線存在的區域被稱為「壕溝（moat）」。沒有銅線存在的區域寬度通常是0.05英吋。換句話說，一個隔離的區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或互連的走線，才能與這個隔離區域相連接。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域、或隔離區域的接口無關。
　　

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、光學隔離器、或共模數據線過濾器，來跨越「壕溝」。第二種方法是使用「壕溝」上的一個「橋梁」。隔離也被應用在將高頻寬組件與低頻電路分開的場合；此外，它也被應用于使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隔離器來達成的。一個I/O區域必須與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合，而且只有透過一個低阻抗、高質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域分開。有時由于設計的需要，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部。在任何情況下，都不能使用尾導線（pigtail wire）將BNC連接器的外層與底盤的接地面或任何接地系統連接在一起。測量結果顯示，同樣在15至200MHz范圍內工作的兩個射頻訊號，一個在尾導線內傳輸，另一個在對BNC連接器外層做360度連接的纜線屏蔽內傳輸，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，因為當發生ESD時，它的導線電感值比較小。對大多數應用而言，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。
　　

共模數據線過濾器可以和隔離的變壓器結合，以延伸共模抑制（common-mode rejection）的效果。共模數據線過濾器（通常是螺旋管形）可以在模擬和數字訊號應用中使用。這些過濾器可以將在訊號線至I/O區塊或纜線中傳輸的共模射頻電流降至最小。如果在隔離區域內需要電源和接地，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，二次側的短路保險絲（為了保護產品的使用安全）可以位于鐵粉芯的任何一邊。有時，必須使用去耦合電容，來移除已經過濾過的I/O電源中的數字噪聲。這個額外的去耦合電容之一端可以位于鐵粉芯的過濾側（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，彼此相對的話，在它們之間就會產生射頻接地回路。范例詳如附圖二所示。

　　　　　
圖二：使用隔離法來跨越「壕溝」
　　