PCB科技 - EMI/EMC設計講座：印刷電路板的像面（上）

An image plane is a layer of copper conductors (or other conductors) that is located inside a printed circuit board (印刷電路板). 它可能是一個電壓平面, 或與電路或訊號佈線層相鄰的0V基準面. 20世紀90年代, 影像平面的概念被廣泛使用, 現在它是行業標準的恰當術語. 本文將解釋定義, 影像平面的原理與設計.

影像平面的定義

射頻電流必須通過先前定義的路徑或其他路徑返回到電流源； 簡而言之，此返回路徑是一種影像平面。 鏡像平面可以是原始佈線的鏡像（鏡像），或位於附近的另一條路徑——即串擾； 影像平面可以是電源平面、地平面或自由空間（自由空間）。 空間）。 射頻電流將以電容或電感的形式耦合到任何傳輸線，只要該傳輸線的阻抗小於先前定義路徑的阻抗。 但是，為了符合EMC標準，必須避免將可用空間作為返回路徑。

雖然是單面的 印刷電路板 可以降低成本, 這種簡單的結構可能不符合EMC標準. Most 2層或4層 印刷電路板s具有相對較高的信號完整性，可以通過EMC測試. The high-density (multi-layer board) 印刷電路板 堆棧可以為每對影像平面提供6dB到8dB的射頻抑制, 這是由於消除磁通的作用. 有一個簡單的規則可以用來確定何時使用多層板：當頻率超過5MHz時, 或者上升時間超過5 ns, 必須使用多層板.

電感的定義

跡線和銅平面的電感數量有限。 當電壓施加到跡線或傳輸線上時，這些電感將封锁電流的產生，囙此兩根導線成為不平衡的共模輻射，磁通量無法降低。 在電路板結構中，有3種不同類型的電感：

.部分電感：導線中存在的電感或 印刷電路板 查出.

. 自感：一段導線產生的電感，與無限長的導線相對。

. 公共部分電感：一個電感部分對第二個電感部分的影響。

與電容和電阻相比，電感是最難量測的。 電感表示閉合電流回路的動態特性。 電感是通過閉環的磁通量與產生磁通量的電流之比。 它的數學運算式是：Lij=ij/鋰，是磁通量，I是回路中的電流。 在閉合回路中，電感值與回路的形狀和大小有關。 在設計印刷電路板時，工程師通常會忽略跡線的電感。 電感始終與閉環相關。 閉環的電感效應可用部分電感和公共部分電感效應來描述。

部分電感

導體的內部電感，由導體內部的磁通量產生。 閉環的部分電感之和等於每個部分的部分電感之和，即，。 每個部分的Li等於Ψi/Li，Ψi表示耦合到第i部分中回路的磁通量，i是第i部分中的電流量，Li是部分電感。 囙此，不同的電路將具有不同的部分電感值。 我們關心的是部分電感值，而不是軌跡的總電感值。 此外，部分電感可用於推導公共部分電感。

公共部分電感

使影像平面消除磁通的主要因素是“公共部分電感” 消除磁通後，可以連接磁力線，並找到射頻電流的最佳返回路徑。 電感本身的一部分是指特定回路部分的電感，與其他回路部分無關。 圖1顯示了其自身的部分電感。 跟踪回路中的電流為I，Lp是跟踪段自身的部分電感。 假設此軌跡從有限的一端延伸到無限的另一端。

理論上，雖然其自身的部分電感與相鄰導線無關，但事實上，距離較小的相鄰導線會改變彼此自身的部分電感值。 這是因為一根導線將與其他導線相互作用，囙此整個導線長度上的電流分佈不再均勻。 特別是當兩根導線之間的距離與半徑之比小於5:1時，這種情況會更加明顯。

圖1：其自身電感的一部分

在兩根導線之間，將有一個共同的部分電感。 常見的部分電感Mp基於平行佈線或導線段之間的間距。 Mp是“第一根導線中的電流產生的磁通量（通過第二根導線到達遠處）”與“第一根導線產生的電流”的比率。 圖2顯示了常見的部分電感。 其等效電路如圖3所示，該電路的數學運算式如下：

圖2：公共部分電感

圖3：兩根導線之間的公共部分電感

現在有了公共部分電感的概念，考慮在圖3的電路上傳輸訊號，例如頻率訊號。 V1位於訊號路徑上，V2位於RF電流返回路徑上。 假設這兩條導線形成一條訊號路徑及其返回路徑，囙此I1=I和I2=-I。如果沒有公共部分電感的存在，這兩條導線將無法相互耦合，電路將無法正常工作，也不會形成閉環。 圖3中的電壓降將變為：

從上面的公式可以知道，如果要降低電壓降，必須新增電感的公共部分（Mp）。

新增電感公共部分的最簡單方法是使射頻返回電流的路徑盡可能接近訊號軌跡。 最好的設計方法是在訊號軌跡附近使用射頻返回平面。 它們之間的距離應在可實現的範圍內盡可能小。

部分電感始終存在於導線中，與預設值相同。 囙此，它相當於具有特定諧振頻率的天線。 “公共部分電感”可以减小“部分電感”的影響。 通過縮短兩根導線之間的距離，可以减小各個部件的電感，從而滿足EMI相容性標準的要求。

為了最大化電感公共部分的影響，兩根導線中的電流大小必須相同，但方向相反。 這就是為什麼影像平面（或地線）可以如此有效。 在兩根平行導線之間，有一些共同的電感，這些電感值將隨兩根導線的距離和長度而變化（參攷導線的技術規格）。 當兩根平行導線的距離和長度最小時，其公共部分的電感值將最大。

如果使用電介質資料來分隔電源和接地層，此時“公共部分電感”將起什麼作用？ 同樣，只要兩個平面之間的距離很小，公共部分的電感值就會很大。 此時，在功率平面上測得的射頻訊號電流應為零。

因為它被相同大小和相反方向的射頻返回電流偏移。

此外，應注意，如果兩條導線之間的公共部分的電感值减小，則不僅影像平面的影響將减小，而且兩個平面之間的電容值將增大。