EMI/EMC设计讲座(五)映像平面的分割与隔离

技术分类: EDA工具与服务  | 2007-06-11
作者:中国PCB技术网 | 于岳

  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。

  壕沟

   
       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。

  桥梁

  
       图三:跨越「壕沟」的「桥梁」

  不正确的壕沟

  
       图四:不正确使用「壕沟」的例子

  将「桥梁」的两端接地也可以增加ESD的免疫能力。如果有一个高能量脉冲被注入至I/O连接器中,这个能量可能会跑到主控区域,并造成永久性的伤害。因此,这个能量脉冲必须经由一个阻抗非常小的路径,流向底盘的接地面。

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