EMI/EMC講座-多層通孔和分離平面的概念

在走線路徑上使用通孔（via），是任何高速傳輸技術(shù)極關(guān)切的課題，因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生電磁干擾和串音。此外，在分離的平面之間，絕不能發(fā)生互相重迭（overlay），這是電路設(shè)計(jì)者最關(guān)心的問(wèn)題之一。本文將介紹多層通孔、跳接、接地走線的概念及其之間關(guān)系，與各種分離平面的布線技巧，并說(shuō)明可隔離電源和接電平面的鐵粉芯（ferrite）材質(zhì)之效能特性。

多層通孔
當(dāng)要將頻率（clock）訊號(hào)或高威脅性訊號(hào)由來(lái)源端繞線（routing）至負(fù)載端時(shí)，通常會(huì)經(jīng)過(guò)走線（trace）到達(dá)一個(gè)繞線平面（routing plane），例如：X軸，然后經(jīng)過(guò)相同的走線到達(dá)另一個(gè)平面----例如：Y軸。而且假設(shè)每一個(gè)走線是與一個(gè)射頻回傳路徑（RF return path）緊鄰，則沿著全部的走線路徑，就可以與共模射頻電流（common-mode RF current）緊密耦合。不過(guò)，在實(shí)務(wù)上，這種假設(shè)只有一部份是正確的。
　　當(dāng)一個(gè)訊號(hào)走線從一電路層跳至另一電路層時(shí)，射頻回傳電流應(yīng)該沿著走線路徑流動(dòng)。當(dāng)一個(gè)走線在兩個(gè)平面結(jié)構(gòu)之間，穿過(guò)一個(gè)時(shí)，通常會(huì)將它們視為電源平面和接地平面，或者說(shuō)這兩個(gè)平面具有相同的電位，而回傳電流在這兩個(gè)平面之間共享?；貍麟娏魑ㄒ豢梢栽谶@兩個(gè)平面之間跳接（jump），是在去耦合電容的位置上。如果這兩個(gè)平面具有相同的電位，例如：0V（參考電壓），則射頻回傳電流將會(huì)在連接兩平面的通孔處發(fā)生跳接，而此通孔是供給一個(gè)組件使用。
　　
當(dāng)從一個(gè)水平層跳接至一個(gè)垂直層，射頻回傳電流是無(wú)法完全如此跳接的。這是因?yàn)樵谧呔€路徑上，有一個(gè)「不連續(xù)（discontinuity）」，那就是通孔?；貍麟娏鳜F(xiàn)在必須尋找一個(gè)替代的低電感（阻抗）路徑，如此才能完成它的回路。這個(gè)替代路徑可能不在通孔旁邊，結(jié)果，在訊號(hào)走在線的射頻電流可能會(huì)耦合至其它電路中，并產(chǎn)生串音（crosstalk）和電磁干擾的問(wèn)題。下列的設(shè)計(jì)技巧，能夠有效地減少因?yàn)殡娐穼又g的跳接所產(chǎn)生的串音和電磁干擾問(wèn)題：
　　
1. 首先，只在一個(gè)繞線層對(duì)所有的頻率訊號(hào)和高威脅性訊號(hào)做繞線，也就是說(shuō)：X軸和Y軸回路都是在相同的平面上。電路設(shè)計(jì)者可能會(huì)放棄這個(gè)技巧，因?yàn)樗鼛缀鯚o(wú)法支持「自動(dòng)繞線（autorouting）」。
　　
2. 一個(gè)固定的射頻回傳路徑必須緊鄰繞線層。而且，不因?yàn)槭褂猛谆蜃呔€跳接到另一個(gè)繞線平面，而造成回路不連續(xù)。
　　
如果必須在水平和垂直的繞線平面之間，使用一個(gè)通孔來(lái)繞線，設(shè)計(jì)者必須在每一個(gè)通孔位置使用接地通孔（率先將接地通孔應(yīng)用到的人是W. Michael King），訊號(hào)軸是在這些位置上跳接的。接地通孔的電位永遠(yuǎn)是0V。
　　
接地通孔是直接與每個(gè)訊號(hào)回路通孔相鄰，從水平平面繞至垂直平面。只有當(dāng)內(nèi)部具有一個(gè)以上的0V參考平面時(shí)，才能使用接地通孔。這個(gè)通孔和所有的接地平面（0V 參考電壓）連接，成為訊號(hào)跳接電流的射頻回傳路徑。本質(zhì)上，這個(gè)通孔和0V參考平面結(jié)合在一起，并和訊號(hào)走線的位置相鄰并行。當(dāng)每一個(gè)訊號(hào)走線的通孔使用兩個(gè)接地通孔時(shí)，將會(huì)有一個(gè)連續(xù)的射頻回傳路徑存在，射頻回傳電流會(huì)在它上面流動(dòng)。這個(gè)接地通孔將維持一個(gè)固定的射頻回傳路徑（經(jīng)由映像平面），與訊號(hào)回路完全相鄰。
　　
當(dāng)只存在一個(gè)0V參考（接地）平面，而且替代平面的電壓是一般四層板常使用的值時(shí)，會(huì)發(fā)生什么事呢？為了維持一個(gè)固定的射頻回傳路徑，此時(shí)，0V參考平面必須充當(dāng)為主要的回傳路徑。訊號(hào)走線必須穿過(guò)這個(gè)0V參考平面。當(dāng)走線必須穿過(guò)電源平面時(shí)，就必須使用接地走線；在接地走線的兩端使用通孔，與訊號(hào)走線平行，穿過(guò)電源平面，與0V參考平面連接。使用這種方法，就可以維持一個(gè)固定的射頻回傳路徑。如附圖一所示。

　　　

圖一：四層板的接地走線之繞線

　　
當(dāng)必須在電路層之間跳接時(shí)，要如何才能減少使用接地通孔呢？在正確的電路設(shè)計(jì)中，最優(yōu)先的是頻率訊號(hào)的繞線，它是屬于「人工繞線」。在對(duì)這些優(yōu)先的少數(shù)走線（例如：所有的頻率訊號(hào)和高威脅性訊號(hào)）做繞線時(shí)，電路設(shè)計(jì)者的選擇是比較多的，他們可以使用最短的走線距離（shortest Manhattan length）來(lái)繞線，使跳接位置緊鄰組件的接地通孔。此跳接將共享該組件的接地腳位之通孔。對(duì)這組件而言，此接地通孔將提供0V參考電壓，并允許射頻回傳電流產(chǎn)生一個(gè)跳接。如附圖二所示。

　　　　　
圖二：優(yōu)先的少數(shù)走線之人工繞線范例

分離平面

　　
當(dāng)使用多層板的時(shí)，位于同一平面上的電源平面和接地平面有時(shí)會(huì)被分開(kāi)。例如：將模擬電路和數(shù)字邏輯分開(kāi)、I/O互連電路的隔離、不同參考電壓的分割（例如：將+5V區(qū)域和-48V區(qū)域分割）、組件的隔離，但這些都需要射頻回傳路徑。經(jīng)定義好的射頻回傳路徑可以被比喻為一個(gè)道路路線圖，射頻回傳電流只在已經(jīng)定義好的路徑上流動(dòng)。
　　
如果在一個(gè)平面上發(fā)生重迭，則必須在重迭的區(qū)域之間使用電容（大小是有限值）。如附圖三所示，C1允許射頻能量（是一個(gè)交流波形），穿過(guò)一個(gè)噪聲平面，到達(dá)一個(gè)分開(kāi)的、隔離的、安靜的平面，這是很糟糕的設(shè)計(jì)。這些平面的直流電壓是不變的，因?yàn)樵谶@些平面之間，有使用濾波器來(lái)傳遞直流電壓。
　　
如果需要隔離特定的高頻電路，可以使用「鐵粉芯導(dǎo)線（ferrite bead-on-lead）」，而不是電感，來(lái)隔離電源平面，或?qū)㈦娫雌矫婧徒拥仄矫娓綦x。不過(guò)，使用這種方法時(shí)，必須很小心。如果兩平面都包含了高頻的射頻噪聲，則通常要將電源平面和接地平面隔離。如果數(shù)字區(qū)域和模擬區(qū)域都需要一個(gè)共同的接地平面，而且需要模擬電源，則只能使用鐵粉芯導(dǎo)線來(lái)銜接分割的電源平面。
　　當(dāng)內(nèi)出現(xiàn)分離平面（split plane）時(shí)，共同的接地平面必須直接位于離散濾波組件下方。所有訊號(hào)走線必須緊鄰此接地平面；而此濾波組件正是所謂的「橋接器（bridge）」。如此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：可以維持0V參考（映像）平面的完整性。這是控制高頻EMI所必需的，還可以提供一個(gè)最佳的射頻回傳路徑。
　　
為什么不能使用電感呢？這從附圖四中，可以得到答案。在直流電壓或低頻訊號(hào)的范圍內(nèi)，鐵粉芯的阻抗趨近于0，這對(duì)直流電壓和低頻訊號(hào)而言，可以忽略不計(jì)，亦即，鐵粉芯導(dǎo)線好像不存在一樣。但當(dāng)達(dá)到高頻的范圍時(shí)，在供電線路中會(huì)產(chǎn)生射頻電流，此時(shí)，鐵粉芯的電阻會(huì)持續(xù)增加，阻抗也因此直線上升。直到某個(gè)特定的頻率值，鐵磁材質(zhì)停止作用，阻抗也維持在最高值，不再變化。這是像鐵粉芯這種鐵磁材料所特有的物理特性。
　　
本質(zhì)上，鐵粉芯具有一個(gè)大的射頻電阻，可以阻絕射頻能量在兩個(gè)分離區(qū)域之間傳輸。而電感具有一個(gè)大的電感值（L），它的感抗（inductive reactance）值是jωL。但在傳輸路徑上，感抗是最不被歡迎的。在電感兩端會(huì)存在寄生電容，而且，在電感線圈和0V參考平面之間也會(huì)有電容存在。由于L和C的作用，于是一個(gè)諧振（resonant）電路就這樣產(chǎn)生了。藉此，在達(dá)到某個(gè)特定頻率時(shí)，射頻電流可以在兩個(gè)隔離區(qū)域之間流動(dòng)，而這些射頻電流會(huì)影響電路的正常功能。因此，供電線路或高頻電路必須經(jīng)過(guò)鐵粉芯過(guò)濾。

　　　　
圖三：各種不同的分離平面

　　
如果一個(gè)分離平面只包含低頻電路（模擬），而另一個(gè)分離平面具有高頻的交換電路（數(shù)字），這時(shí)通常需要使用鐵粉芯將它們之間的電源平面和接地平面隔離。不過(guò)，這得依照產(chǎn)品的功能和廠商對(duì)電源和平面隔離的需要而定。當(dāng)不允許高頻能量在兩區(qū)域之間傳輸時(shí)，才需要使用這種技術(shù)。如果兩區(qū)域都僅包含低頻組件，而且不會(huì)受到高頻的射頻能量之威脅（例如：因高速切換所產(chǎn)生的噪聲），則不需要使用鐵粉芯組件，只要使用「單點(diǎn)接地（single-point ground）」（單點(diǎn)共同接地）即可。

　　　　　
圖四：鐵粉芯的效能特性