EMI/EMC设计讲座（五）映像平面的分割与隔离

　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英肌；痪浠八担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」

　　方法二：桥接

　　这个方法是使用一个「桥接电路」，它位于一个控制区块与一个隔离区域之间。桥接的位置是位于「壕沟」无法流通的地方。透过它，讯号走线、电源与接地线都可以通过「壕沟」。如附图三所示。任何与I/O线路无关的走线如果通过了「壕沟」，就可能会造成射频辐射和ESD的问题。其所产生的射频回路电流，如附图四所示。射频电流必须沿着它们的走线路径「映像（image）」回来。在两个不同区域之间，会产生共模噪声。和方法一不同的是：电源和接地平面是直接连接至这两个不同区域之间。因此，这个方法形成了一个分割。

　　使用桥接法的好处是和城堡被「城池」包围的好处类似。只有那些拥有「护照」的讯号，可以通过这个「桥梁」。由于射频返回电流必须沿着它们的走线路径「映像」回来，所以可以使磁通量最小化。这个映像返回路径是唯一的，而且只有一条返回路径存在----那就是「这座桥」。

　　有时，只有电源平面是隔离的，而接地平面则可以透过「这座桥」被完整连接。这种技术常被使用于需要共同接地、或个别过滤的电路上，它们都需要稳定的电源。在这种情况下，通常会使用铁粉芯导线来跨越「壕沟」，但只有已经过滤过的电源可以这么做。这个铁粉芯必须位于桥梁区域，而且不能跨过「壕沟」。如果在隔离区域内不需要模拟或数字电源，则这个未使用到的电源平面可以再次被定义为第二个0V（接地）平面，且参考到主要的接地平面。当使用一个「分割平面（split plane）」时，必须保证穿越过「桥梁」的走线，确实沿着一个0V的参考（接地）平面而行，而且不是沿着分割的电源平面。

　　当使用桥接法时，如果底盘和系统级设计有提供多点接地（multipoint ground），那最好能将「桥梁」的两端与底盘或框架（frame）一起接地。将进入口与「桥梁」接地，可以执行下列两项功能：

　　1. 它可以移除在供电网络中的高频的共模射频成份（接地噪声电压），避免它被耦合至分割的区域内。

　　2. 它可以移除涡流（eddy current），这种电流可能存在于底盘或适配卡插件箱（card cage）内。藉此，能够改善接地回路的控制。

　　一个阻抗更小的路径可以当成射频电流的接地面，如果没有它，射频电流会经由其它路径到达底盘的接地面，譬如：在I/O缆线内的射频电流。

　　
图三：跨越「壕沟」的「桥梁」