[讨论] PCB的映像平面（二）映像平面的设计

tmily 2006-7-19 12:08 楼主

映像平面的设计

附图四是在PCB内的映像平面，它具有共同的部分电感。在此图中，讯号走线的大多数射频电流将回至接地平面，此平面在讯号走线的正下方。在这个回传「映像」结构中，射频回传电流将遇到一个有限大的阻抗（电感）。此回传电流会产生一个「电压梯度（斜率）」（每单位路径长度的电压变化率），也称为「接地杂讯电压（ground-noise voltage）」。接地杂讯电压会导致部分的讯号电流通过接地平面的离散电容。
典型的共模电流是差模电流Idm的1/10n倍（n为小于10的正整数）。不过，共模电流（I1和Icm）会比差模电流（和）产生更多的辐射。这是因为共模的射频电流场是相加的，而差模电流场是相减的。

为了降低「接地杂讯电压」，必须增加走线和其最靠近的映像平面之间的共同的部分电感值。这样可以为回传电流提供一条增强的路径，将映像电流映射回电流源。接地杂讯电压Vgnd的计算公式如下所示：

Vgnd = Lg dI2/dt - Mgs dI1/dt

附图四和上式的符号意义如下所示：

Ls = 讯号走线自身的部分电感。
Msg = 讯号走线和接地平面之间的共同的部分电感。
Lg = 接地平面自身的部分电感。
Mgs = 接地平面和讯号走线之间的共同的部分电感。
Cstray = 接地平面的离散（stray）电容。
Vgnd = 接地平面杂讯电压。

为了降低附图四中的If，接地杂讯电压必须减少。最好的方法是：缩小讯号走线和接地平面之间的距离。在大多数的情况下，接地杂讯的降低是有极限的，因为讯号平面和映像平面之间的距离不能小于一个特定值；若低于此值，则电路板的固定阻抗和功能将无法确保。此外，也可以为射频电流提供额外的路径，藉此降低接地杂讯电压。此额外的回传路径包含有数条接地线。

图四：PCB内的接地平面
　

一个稳固的平面会产生共模的辐射。由于共同的部分电感可以降低具辐射性的射频电流的产生，因此，共同的部分电感也会影响到差模电流和共模电流。而利用映像平面是可以将这些电流大幅地降低的。理论上，差模电流应该等于零，但实际上它无法100%被消除，而剩下来的差模电流会转变成共模电流。此共模电流正是造成电磁干扰的主要来源。因为在回传路径上的剩余的射频电流，被加到在讯号路径中的主电流（I1）中，造成讯号严重干扰。为了降低共模电流，我们必须将走线平面和映像平面之间的共同的部分电感值增加至最大，以补捉磁通量，藉此消除不需要的射频能量。差模电压和电流会产生共模电流，而减少差模电流的方法除了增加共同的部分电感值以外，走线平面和映像平面之间的距离也必须最小。

在PCB内，当有一个射频回传平面或路径存在时，若此回传路径被连接至一个参考源，则可以获得最佳的性能。对TTL和CMOS而言，其晶片内的功率和接地脚位是连接至参考源、电源、接地平面。只有当射频回传路径有和晶片内的功率和接地脚位连接，一个真正的映像平面才会存在。通常，在晶片内会有接地线路，此线路与PCB的接地平面连接，因此产生良好的映像平面。如果将此映像平面移除，则在走线和接地平面之间会产生「虚幻的」映像平面。由于走线之间的距离很小，辐射能量会降低，因此，射频映像（RF image）会被抵销。理想的映像平面应该是无限大的，而且没有分裂、细缝或割痕。

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量之一。高速的逻辑元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的介面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。
　