十、互连和IO-1

EMCtheoryandapplication第10章互连和I/OPCB上的I/O和相关的互连部件，包括串口、并口、以太网口、外部存储驱动、调制解调器、视频显示器、音频设备、用户接口以及其他很多设备，是对EMI、ESD以及其他形式的辐射和传导干扰比较敏感的部件EMCtheoryandapplicationI/O电路的RF发射大多来自如下原因：I/O互连耦合的共模RF能量电源平面的开关噪声耦合到I/O电路和线缆时钟信号以传导和辐射方式耦合到I/O线缆数据信号线未滤波接地形式不正确使用性能不好的I/O连接器两电路间存在地电位差EMCtheoryandapplication分区功能子系统功能子系统是指支持某种特定逻辑功能的一组元件，将这些元件靠近放置可以减小电路布线长度，提高性能。然而由于种种原因，这样做有时是不现实的。但I/O子系统必须单独考虑，不能等同于其他一般子系统，分区布局对实现I/O子系统是非常重要的。分区布局有助于改善信号完整性，防止高频干扰源产生破坏性的干扰，影响串口、并口、视频、音频、异步/同步、软驱、面板控制显示、局域网和广域网控制等。所有的I/O系统都应按照单独的PCB来进行构想、设计和实现。EMCtheoryandapplication寂静区寂静区是指与数字、模拟以及其他功能区进行物理隔离的区域。所有I/O端口都必须单独分区，或者与数字电源/地平面进行隔离。应注意控制PCB的布线，防止滤波后的内部RF电流耦合到电缆屏蔽层上。寂静区可通过如下方法实现：（1）I/O信号通过隔离变压器进入和离开系统（以太网、电信或者光纤）（2）数据线滤波（3）通过高阻抗共模电感滤波（4）使用铁氧体元件EMCtheoryandapplication内部辐射噪声耦合功能子区域之间可能会有辐射RF耦合，为防止内部RF耦合，需要设置一个屏障。该屏障立在零伏参考面上方的间隔适于所关心的最高频率的铁栅栏。该屏障要足够高，防止元件间直接的RF辐射耦合。该屏障在物理上类似于单面或双面板上电源和接地网络的标准总线。每一处都接地，在电源平面和地平面间应使用电容旁路掉内部产生的RF电流，这一点很重要。建议预先留好将来设置屏障的位置，只要能设置过孔，就可以很容易地实现屏障。在PCB上增加屏障设计要比在生产出来的电路板上添加容易得多。EMCtheoryandapplication隔离和分区隔离和分区是指在物理上将元件、电路和平面与其他功能设备、区域和子系统分隔开。允许RF电流以辐射和传导的方式传到电路板上不同部分，不仅会导致EMI问题，而且可能引起功能问题。CMOS和双极元件在如下情况会产生很大的瞬态电流：电流直接从电源入地（内部电源吸收）电流从电源管脚，通过芯片，流到输出管脚（高电平驱动，电流源输出到负载）电流流到输出管脚，通过芯片，到内部地管脚（低电平驱动，从负载抽取电流）EMCtheoryandapplication防止数字电流进入模拟地平面的常用方法如下所述，这项设计技术称作“护沟”。在PCB上分区，分为模拟、数字和I/O区域在所有平面上，沿分区边线除去区域之间的铜皮，以实现隔离，无铜的区域就定义为“护沟”对于电源和接地平面，护沟最小宽度为0.25mm将模拟地和数字地在一处并且仅在一处连接起来，该连接处是跨过护沟的“桥”将模拟元件的模拟部分置于桥的中间任何情况下不允许信号线跨过护沟确保任何跨接模拟区与数字区的信号线通过“桥”所在的位置，并且是位于紧邻桥的信号层对模拟电源和锁相环电路进行滤波，以去除数字噪声EMCtheoryandapplication方法1：环绕护沟使用隔离变压器、光隔离器或者数据线滤波器，将I/O区与PCB其他区域100%隔离开。图护沟的方式实现隔离—方法一EMCtheoryandapplication方法2：护沟上的桥接-分区在控制区与隔离区之间架了一座“桥”，此桥是经护沟实现连接的唯一的地方，信号线、地和电源线从这里穿过。图I/O分区护沟上的桥连—方法二EMCtheoryandapplication任何与隔离区无关的布线越过护沟时，都会导致严重后果，会产生RF环路电流，RF电流沿布线路径的镜像返回，在两个分隔的区域间就会生成共模噪声。图违规跨越护沟EMCtheoryandapplication桥接时，桥的两端都要搭接到机架地上，在机架和系统选用多点接地结构方式的情况下强烈推荐使用这种方法，入口接地到桥上有两方面作用：接地可以避免地平面（地噪声电压）上高频共模RF成分耦合到隔离区接地能减小机架上和板卡边缘的涡旋电流（提高地回路控制作用），为RF电流（PCB内部）提供了更低阻抗的接地路径，避免经其他路径流入机架地，如I/O电缆桥的两端都进行接地还可提高防静电放电的抗扰度。如果高频脉冲注入到I/O连接器，其能量会传到主控区引起永久性的损坏，所以，必须通过低阻抗路径将该脉冲能量导引到机架地上，防止元件受损。桥两端都接地的另外一个原因是为了消除因隔离区和主控区地电位梯度而产生的RF地噪声。EMCtheoryandapplication数字和模拟分区后应该如何布线，见下图图数字和模拟分区EMCtheoryandapplication滤波和接地滤波滤波元件的性能差异如下：（1）电容器：用来旁路RF能量，使之从电缆屏蔽层导入机架地；也可用做LC滤波器的一部分，它工作在特定频点。电容器的缺点是对高电压敏感（2）电感器：不能用于滤波。电路中的电感会降低瞬态电流的流动速率，并因此会加大干扰感应的机会，结果可能破坏信号完整性，电感的另外一个不利之处是会在器件间造成电势差（3）铁氧体材料：是滤波的最佳器件。磁珠能吸收高频RF能量，允许DC通过而不失真。磁珠不仅能防止内部感应的RF能量传播到外部，而且还是大多外部感应干扰频点的高阻抗源。既能防止高频RF能量外泄，又能防止高频RF能量进入EMCtheoryandapplication针对辐射发射和辐射敏感性，如采用电容，则电容必须位于连接器入口处。该电容器应该是由线-到-机架形式的，不能是由线-到-线/返回形式的。数据线滤波器必须置于信号线控制端与连接器之间，而旁路电容器位于它们两者之间，见下图图I/O滤波方法技巧1旁路电容器置于连接器处这些电容对向外泄漏和向里注入的EMI都是有效的。有ESD干扰时，接受的电压和电流幅度会极高。认证测试规范给定了最低电压水平，这是出于便于评估和操作的考虑。用于抑制RF发射的表贴电容器的额定电压通常是25V或更低。大多数电容器不仅能承受ESD冲击并且能起到防护作用。EMCtheoryandapplication对于辐射发射和静电放电现象，要采用不同的放置方式。旁路电容应置于数据线滤波器的输入端侧而不是I/O连接器一侧，具体如图所示：图I/O滤波方法技巧2EMCtheoryandapplication为什么I/O电缆和互连线会产生辐射退耦电容器会驱动共模天线，尽管其位置仅处于元件的供电和接地管脚附近图共模能量如何在互连线缆上形成EMCtheoryandapplication接地（I/O连接器）图I/O面板和托架的多点接地EMCtheoryandapplication以太网有不同的接口形式，每种都带有不同的前端连接器，有不同的设计考虑；电信电路也有很多形式，每种都带有独特的接口要求。一般与控制器相关的布局顺序是：隔离变压器/信号整形电路、数据线滤波器和I/O连接器图网络和电信接口的推荐布局局域网的I/O设计安排EMCtheoryandapplication图同轴互连线的推荐布局EMCtheoryandapplication图光纤互连的推荐布局EMCtheoryandapplication图复杂光纤接口的推荐布局EMCtheoryandapplication视频的I/O设计安排视频电路布局应注意两个方面：布线阻抗和电源理想程度视频发生器到I/O连接器的布线阻抗一定要与视频监视器的阻抗匹配。图在50Ω叠层配置布放75Ω线条EMCtheoryandapplication对于电源纯度，需要经过一个磁珠引入经过滤波的隔离电源，而不是充满噪声的电源右图视频电路布局规划EMCtheoryandapplication音频的I/O设计安排音频印制电路板通常需要三个相互隔离的区域：数字、模拟和音频，这种多区分隔只能在四层以上的多层电路板上实现，双面板没办法实现。右图音频线路布局规划