EMI/EMC设计讲座（五）映像平面的分割与隔离

换噪声（switching noise）可能会注入至模拟区块内，所以必须采用隔离或过滤方法。从数字绕至模拟区块的所有走线必须经过「桥梁」。对模拟电源而言，必须使用一个铁粉芯导线来跨越「壕沟」。也可能需要一个稳压器（voltage regulator）。通常，「壕沟」是100%地围绕着被分割的模拟电源区域。

某些模拟组件需要将模拟接地与数字接地连接起来，不过这必须经由一个「桥梁」才行。如附图五所示。有许多模拟-数字和数字-模拟装置，在同一个封装构造内，将它们的模拟接地（AGND）和数字接地（DGND）连接在一起。当一个组件内部是采用这种分割方法来设计时，则在PCB布线时，模拟和数字接地只需要一个接地连接线（亦即，共享一个接地线）。只有当组件内部有将AGND和DGND分开时，AGND和DGND才需要彼此以「壕沟」隔开。在 进行PCB布线时，工程师必须事先询问组件供货商，要如何正确地隔离或连接AGND和DGND。

　　　
  图五：数字和模拟分割的概念
　　

不正确地使用映射平面
　　

映射平面虽然很好用，但是如果错误地使用它，将会造成严重的电磁干扰问题。一个映像平面要能够有效，所有的讯号走线必须与一个固定平面相邻，而且不能跨越铜线的隔离区域。不过，使用某些特殊的走线绕线技术却是例外。如果一条讯号走线，或甚至一条电源走线（例如：在+5 V电源平面上的一条+12 V走线）在一个固定平面内绕线，则这个固定平面将被切割成许多个小部份。一个接地或射频讯号返回回路的设计规则，目前已经被建立起来，这是在相邻的电路板层之间测量射频返回电流的大小。这种电流的存在代表了映射平面并没有被正确地使用。这种射频回路的产生，是因为射频电流无法在讯号走线内找到一条直接的、低阻抗的返回路径。
　　

附图六说明了映射平面被不正确地使用的情形。这些平面现在已经无法成为一个固定的0 V参考点，以去除共模的射频电流。由于平面的切割所造成的损失，最后可能会产生射频电场。在一个映射平面上的通孔（via）并不会减弱该平面的映射能力，但接地插槽（ground slot）除外。
　　

图六：走线不正确地使用映射平面
　　

另一个与接地平面的不连续性有关之议题是：使用穿洞（through-hole）组件。在一个电源或接地平面上使用过多的穿洞组件，将会产生所谓的「瑞士奶酪病症（Swiss Cheese Syndrome）」。由于穿洞太多，许多洞都彼此重迭，致使平面上的铜区块减少，不连续的区域就变大了。这个效应如附图七所示。在映射平面上的返回电流是沿着洞孔边缘流动，而讯号走线则是以直线路径跨越不连续的区块。如附图七所示，在接地平面上的返回电流必须绕过插槽或洞孔。其结果是，必须增加走线的长度，才能传送返回电流。增长的走线长度会使返回走线的电感值增加。因为E = L(dI/dt)，当返回路径的电感值增加时，讯号走线与射频电流返回路径之间的差模耦合效果就会降低，磁通相抵（flux cancellation）的效果也会减少。对洞孔不是很大的穿洞组件而言----其接脚之间仍然具有空间，降低讯号和返回电流的最佳方法是：降低返回路径和固定平面上的电感值。
　　
如果一条讯号走线是沿着穿洞区域（不连续区域）行走，则一个固定的映射平面（射频返回路径）将会沿着所有的讯号路径存在着。在附图七右侧，因为接地平面没有不连续，所以走线长度可以缩短。相反的，在附图七左侧，如果走线长度增加，就会增加电感值。当走线长度增加后，会造成能量反射，破坏讯号的完整性和应有的功能，也会产生射频电流回路，如同天线一样。
　　
为了缩短走线的长度，而必须使讯号走线穿过PCB的插槽或洞孔时，在走线和洞孔附近空间之间必须遵守「3-W法则」：走线之间的间距必须是单一走线宽度的三倍；或者说：两走线之间的间距 〉单一走线宽度的两倍。
　　
附图八是使用电容使射频返回电流能够穿越插槽或「壕沟」。此电容为射频电流提供了交流并联电路，藉此，射频电流可以穿越「壕沟」。它大约可以提高20dB的效能。不过，这种方法可能会在走线电流和它们的映射电流之间，产生电抗（reactance）位移的现象，最后将使磁通相抵（flux cancellation）的效果减弱。所以，最好使用上述的隔离法或桥接法来解决。

　　

图七：使用穿洞组件时的接地回路

　　

　　
图八：利用电容使射频返回电流可以穿越「壕沟」