EMI/EMC设计讲座(四)印刷电路板的映像平面

接地和讯号回路
　　
由于回路是射频能量传播最主要的媒介，因此，接地或讯号回传回路控制（return loop control）是抑制PCB内的电磁干扰的最重要设计考虑之一。高速的逻辑组件和振荡器应该尽量靠近接地电路，以避免形成回路；在此回路中会有涡流（eddy current）存在，此时是以机壳或底座（chassis）接地。涡流是受到不断变化的磁场感应产生的，它通常是寄生的。附图五是PC的适配卡插槽和单点接地所形成的回路。在此图中，有一个额外的讯号回传回路区域存在。每个回路将会各别产生一个不同的电磁场和频谱。射频电流将会在特定的频率下，产生电磁辐射场，其辐射能量的大小和回路的面积有关。这时必须使用遮蔽物（containment），以避免射频电流耦合至其它电路中；或辐射至外部环境，造成电磁干扰。不过，最好能尽量避免由内部电路产生射频回路电流（RF loop current）来。

　　

图五：在PCB内的接地回路

　　
若射频电流的回传路径不存在，此时，可以利用连接至底座的接地线路，或0V参考源来协助移
除掉不良的射频电流。这也称为「回路面积控制（loop area control）」。
　　
回路面积的控制
　　
一个被磁场感应的回路，它的电磁场可以用电压源来表示。这个电压源大小和回路的总面积成正比。因此，为了降低磁场的耦合效应，必须减少回路的面积。电场「捡拾（pickup）」接收系统也是依靠回路面积，来形成接收天线。
　　
当有一个电场存在时，在电源和接地平面之间，会产生一个电流源。电场不会在线路至线路之间耦合，而会在走线至接地线之间耦合，这就包含了共模电流。但是，对磁场而言，由于电场会伴随它产生，所以电磁场会在线路至线路之间耦合，也会在走线至接地线之间耦合。
　　
一般人都会忽略在PCB内，于电源和0V参考点之间要设置回路区域。附图六的大回路面积是最容易设计的，但也最容易被「静电释放（ESD）」或其它场感应，变成一个天线。多层堆栈的PCB可以减轻ESD的破坏，并能减少磁场的产生，避免它辐射至自由空间。在附图七中，接地平面和电源平面之间，具有一个很小的回路面积。
　　
使用电源和接地平面可以降低电源分配系统的电感值。若将电源分配系统的特性阻抗降低，则可以降低电路板的电压降。电压降若变小，则「接地弹跳（ground bounce）」的现象就可以避免。当逻辑闸开关快速切换时，瞬间的电流变化会经由IC接脚，传送至主机板的电源平面或接地平面，造成输入参考电压的波动，进而产生射频噪声（RF noise）和电磁干扰，这种现象就称作「接地弹跳(ground bounce)」。此外，降低特性阻抗的同时，电源平面与接地平面之间的电容值会增加，这个电容值会使得任何的感应电压值下降，这就是「去耦合（decouple）」的效果。

　　　　
图六：绿色区域是大的回路面积

　　
当讯号线在组件之间穿梭时，大的回路面积就被产生了。但是我们常常会忘记讯号线对EMI的影响。虽然，讯号的完整性（时域）仍然很高，但是，EMI依然存在（频域），因为讯号回路面积所产生的问题，比电源分配系统所产生的问题多。尤其是从ESD的观点来分析，更是如此；这是由于ESD会直接进入回路和组件的输入脚位中。为了降低ESD可能造成的伤害，减少回路面积是最简单的方法。电源和接地平面分散网络提供了低阻抗的路径，能够将ESD能量传送至0V的回传参考平面内。毕竟，回路是回路，如果它们能发出电磁波，就应该能够接收电磁波。

除了能降低接地噪声电压以外，映像平面也能防止射频接地回路变大，因为射频电流紧密地与它们的电流源走线耦合，所以，它不需要另外寻找回传路径。当回路控制最大化时，磁通量就被大幅消除了。这是在PCB内，抑制射频电流的最重要观念之一。在靠近每一个讯号平面处，正确地配置映像平面，就可以消除共模的射频电流。传输大量的射频电流的映像平面，必须接地或接至0V参考点。为了移除多余的射频电压和涡流，所有接地和底座平面可以透过一个低阻抗的接地电路，连接至底座的接地点。

　　　　
       图七：具有一个很小的回路面积的PCB布线

接地线的间距

　　
要降低PCB内的回路生成，最简单的方法是设计许多个接地线，并全部连接至底座的接地点。由于组件的输出讯号的边缘速率（edge rate）加快了，所以，多点接地就变成了必要的规格，尤其当有使用到I/O互连的设计时。当PCB使用多点接地，而且都连接到一个金属结构上，这时，我们必须知道所有接地线之间的间距是多少。
　
接地线之间的距离不能超过最高频率的λ/20，这不仅包括主频率，也包含谐波频率。如果某组件的输出讯号的边缘速率比较慢，则它连接至底座接地点的数目可以减少，或和接地位置的距离可以增加。例如：一个64MHz的振荡器的λ/20是23.4公分，若两个接地线的直线距离大于23.4公分，则很可能会有射频回路存在，这个回路可能就是射频能量传播的来源。
　
在PCB中的组件布局必须要正确。将不同功能区块的接地线紧密相邻，可以缩短讯号走线的长度、降低反射、并使绕线容易，同时保持讯号的完整性。应该要尽量避免使用通孔（via），因为每一个通孔会增加走线的电感值大约1至3 nH。
　　
此外，为了防止不同的频宽区域相互耦合，必须对不同的功能区块做正确的分割（partition），其方法有：使用分离的PCB、绝缘、不同的布线….等。正确的分割可以提高电路效能、使绕线容易、缩短走线的长度，并且能缩小回路的面积、提升讯号质量。工程师在布线之前，必须先规划好哪些组件是属于哪一个功能区块，而这些信息可以从组件供货商处获得。