一个映像平面(image-plane)是一层铜质导体(或其它导体

1、一个映像平面（image plane）是一层铜质导体（或其它导体），它位于一个印刷电路板（PCB）里面。它可能是一个电压平面，或邻近一个电路或讯号路由层（signal routing layer）的0V参考平面。1990年代，映像平面的观念被普遍使用，现在它是工业标准的专有名词。本文将说明映像平面的定义、原理和设计。映像平面的定义 射频电流必须经由一个先前定义好的路径或其它路径，回到电流源；简言之，这个回传路径（return path）就是一种映像平面。映像平面可能是原先的走线的镜像（mirror image），或位于附近的另一个路径-亦即，串音（crosstalk）；映像平面也许就是电源平面、接地平面，或者自由空间（free space）。射频电流会以电容或电感的形式与任何传输线耦合，只要此传输线的阻抗比先前定义好的路径的阻抗小。不过，为了符合EMC标准，必须避免让自 由空间成为回传路径。 虽然单面PCB可以降低成本，但是这种简单的结构可能无法符合EMC标准。大多数的2层或4层结构的PCB具有比较高的讯号完整性，并且可以通过 EMC测试。高密度（多层板）的PCB堆栈大约可以为每一对映

2、像平面，提供6dB至8dB的射频抑制，这是由于消除磁通量所产生的效果。有一个简单法则可 以用来判断何时应该使用多层板：当频率速率超过5MHz，或上升时间比5 ns快，就必须使用多层板。电感的定义 走线和铜质平面都具有数目有限的电感，当电压施加到走线或传输线时，这些电感会禁止电流产生，所以会使双导线成为不平衡的共模辐射，磁通量因此无法降低。在电路板结构中，具有三种不同的电感型态： 部份电感：存在于导线或PCB走线的电感。 自身的部份电感：来自于一个导线区段的电感，相对于无限长的区段。 共同的部份电感：一个电感区段在第二个电感区段上所产生的效应。 和电容、电阻相比，电感值是最难被测量的。电感代表一个封闭型电流回路的动态特性。电感是通过封闭回路的磁通量和产生磁通量的电流之比值，其数学表述式 是：Lij=ij / li ，是磁通量，I是回路中的电流。在一个封闭回路中，电感值与回路形状和大小有关。当设计PCB时，工程师经常会忽视走线的电感大小。电感永远和封闭回路 有关。封闭回路的电感效应，可以由部份电感和共同的部份电感的效应来描述。部份电感 一个导体的内部电感，它是由此导体内部的磁通量产生的。一

3、个封闭回路的部份电感之加总，等于将每个区段的部份电感相加后的和，亦即。而每一个区段的Li就 等于i / li， i表示第i个区段耦合至回路的磁通量，I是在第i个区段的电流量，Li就是部份电感。因此，不同回路将会有不同数值的部份电感。我们关注的是部份电感 值，而不是走线的总电感值。而且，利用部份电感可以推导出共同的部份电感。共同的部份电感 可以让映像平面消除磁通量的主要因素是来自于共同的部份电感。磁通量被消除之后，能够让磁力线连结，并为射频电流找到最佳的回传路径。自身的部份电感 是指特定的回路区段之电感，和其它回路区段无关。附图一是表示一个自身的部份电感，一条走线回路内的电流是I，Lp是走线区段的自身的部份电感。假设此走 线是从有限的一端，一直延伸至无限的另一端。图一：自身的部份电感 理论上，虽然自身的部份电感与邻近的导线无关，但实际上，间距很小的相邻导线会互相改变彼此的自身的部份电感值。这是因为一条导线会和其它导线互动，使得 在导线的全部长度上的电流分布不再一致化（uniform）。尤其当两导线间隔和半径的比值约小于5:1时，这种情况会更加明显。 在两条导线之间，会有共同的部份电感存在

4、。共同的部份电感Mp是以平行走线，或导线区段之间的间距（s）为基础。Mp是第一条导线内的电流所产生的磁通 量（通过第二条导线至很远的地方）和第一条导线所产生的电流之比值。附图二是表示一个共同的部份电感。它的等效电路如附图三所示，此电路的数学表述 式如下所示：图二：共同的部份电感 现在以共同的部份电感之观念，来考虑在附图三的电路上传送讯号，譬如：频率讯号。V1是在讯号路径上，V2是在射频电流回传路径上。假设此两导线构成一个 讯号路径和它的回传路径，因此I1= I且I2 = -I。要不是有共同的部份电感存在，此两导线将无法互相耦合，此电路也无法正常工作，也不会形成一个封闭回路。在附图三中的电压降将变成：图三：两导线之间的共同的部份电感 由上式中可以知道，若要使电压降变小，必须增加共同的部份电感值（Mp）。 而增加共同的部份电感之最简单方法是：将射频回传电流的路径尽量和讯号走线靠近。最佳的设计方法是：在接近讯号走线的附近，使用一个射频回传平面，它们之间的距离在可实现的能力范围之内，应该尽量的小。 部份电感永远存在于导线中，它如同默认值一样。因此，它就等同于一个具有特定的谐振频率的天线。共同的

5、部份电感可以降低部份电感的效应。缩小两导线的间距，其个别的部份电感就可以降低，这可以符合EMI兼容标准的要求。 为了使共同的部份电感之效应达到最大，在两导线中的电流必须大小相同，但方向相反。这也是为何映像平面（或接地线）能够如此有效的原因。在两条平行的导线 之间，有共同的部份电感存在，而这些电感值会随着两导线的间距和长度之不同而变化（可以参考导线的技术规格）。当两平行导线的间距和长度都最小时，它们的 共同的部份电感值会最大。 若在电源和接地平面之间以介电材料分开，此时共同的部份电感将扮演什么角色呢？同样的，只要这两个平面的间距很小，共同的部份电感值就会很大。此时，在电源平面上所测量到的射频讯号电流应该为零，因为它被大小相同、方向相反的射频回传电流抵销了。 此外，须注意的是，如果降低两导线之间的共同的部份电感值，不仅会减损映像平面的效应，而且会使两平面之间的电容值增加。 映像平面的设计 附图四是在PCB内的映像平面，它具有共同的部份电感。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

6、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），也称为接地噪声 电压（ground-noise voltage）。接地噪声电压会导致部份的讯号电流通过接地平面的离散电容。图四：PCB内的接地平面 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。 为了降低接地噪声电压，必须增加走线和其最靠近的映像平面之间的共同的部份电感值。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。接地噪声电压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 = 讯号走线自身的部份电感。Msg = 讯号走线和接地平面之间的共同的部份电感。Lg = 接地平面自身的部份电感。Mgs = 接地平面和讯号走线之间的共同的部份电感。Cstray = 接地平面的离散（stray）电容。Vgnd = 接地平面噪声电压。 为了降低附图四中的If，接地噪声电压必须减少。最好的方法是：缩小讯号

7、走线和接地平面之间的距离。在大多数的情况下，接地噪声的降低是有极限的，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 噪声电压。此额外的回传路径包含有数条接地线。 一个稳固的平面会产生共模的辐射。由于共同的部份电感可以降低具辐射性的射频电流的产生，因此，共同的部份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份电感值增加至最大，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 加共同的部份电感值以外，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

8、可以获得最佳的性能。对TTL和CMOS而言，其芯片内的功率和接地 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芯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，在芯片内会有接地线路，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虑之一。高速的逻辑组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的适配卡插槽和单 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

9、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。图五：在PCB内的接地回路 若射频电流的回传路径不存在，此时，可以利用连接至底座的接地线路，或0V参考源来协助移除掉不良的射频电流。这也称为回路面积控制（loop area control）。 回路面积的控制 一个被磁场感应的回路，它的电磁场可以用电压源来表示。这个电压源大小和回路的总面积成正比。因此，为了降低磁场的耦合效应，必须减少回路的面积。电场捡拾（pickup）接收系统也是依靠回路面积，来形成接收天线。 当有一个电场存在时，在电源和接地平面之间，会产生一个电流源。电场不会在线路至线路之间耦合，而会在走线至接地线之间耦合，这就包含了共模电流。但是，对磁场而言，由于电场会伴随它产生，所以电磁场会在线路至线路之间耦合，也会在走线至接地线之间耦合。 一般人都会忽略在PCB内，于电源和0V参考点之间要设置回路区域。附图六的大回路面积是最容易设计的，但也最容易被静电释放（ESD）或其它场感 应，变成一个天线。多层堆栈的PCB可以减轻ESD的破坏，并能减少磁场的产生，避免它辐射至自由空间。在附图七中，接地平面和电源平面之间，具有一个很 小的回路面积。 使用电源和接地平面可以降低电源分配系统的电感值。若将电源分配系统的特性阻抗降低，则可以降低电路板的电压降。电压降若变小，则接地弹跳 （ground bounce）的现象就可以避免。当逻辑闸开关快速切换时，瞬间的电流变化会

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