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资深工程师教你学习I/O 区域设计隔离与分割

发布时间:2013-12-24 来源:化二为一 责任编辑:cicy

【导读】电路板上EMI 杂讯大部分是从 I/O 接口辐射出来,所以 I/O 区域抑制 EMI 杂讯设计就显得尤为重要。电子系统内电磁环境错综复杂,EMI 杂讯会经各种途经耦合至 I/O 线,然后经外接周边设备或线缆向外辐射。今天EMC资深爱好者“化二”来谈谈I/O 区域设计隔离与分割,跟大家分享心得!

文章来自电子元件技术网论坛:I/O 区域设计隔离与分割(EMC设计,欢迎指教!) 

耦合方式主要有以下几种:
(1) 电源及地平面杂讯耦合到 I/O 线;
(2) 高速信号耦合到 I/O 线;
(3) 在机壳,信号,机壳接地,数字接地,模拟接地之间的错误连接。

由于电源及地总是有杂讯干扰,这些杂讯耦合至以它们为参考平面的 I/O 线上。如果 I/O 线中有地线或电源线,则这些杂讯更容易辐射出去。所以,需要在 I/O 区域设计出“干净”区域。 获得干净区域的方法主要有两种:隔离和分割。

隔离: 即在 I/O 区域的电源平面层和地平面层掏空,没有任何铜皮,而 I/O 的信号线,电源线在进入此区域前已经过滤波处理,I/O 的接地是通过 I/O 的金属外壳直接与机箱地相连。

分割:以壕沟的方式在电源层和地层割出一块干净的地或电源。壕沟内部的地或电源是通过电感相连。或者壕沟不会完全将干净区域围住,而是留一小段开口—“桥”。

(1) 低速 I/O:PS/2 键盘鼠标区域抑制 EMI 设计 因为是低速 I/O 线,其跨壕沟不会造成干扰,所以壕沟将 I/O 区域完全隔离,以最大可能防止电源及地噪声的干扰。同时,因 I/O提供电源及地,所以将I/O地和电源通过磁珠与数字地GND相连,这样一来既能保证I/O的正常工作,又能利用磁珠阻止高频杂讯进入 I/O 区域。但在此设计中,I/O 信号线滤波电容必须直接将杂讯导入机壳地(外部干扰)或数字地GND(内部电路产生的EMI)而不是 I/O 地。

(2) 高速 I/O :USB,LAN 网络通信接口,VGA 视频,HDMI 区域抑制 EMI 设计:高速数字 I/O 线是强干扰源,其跨壕沟造成回路面积增大而增强干扰。所以,不能像低速数字 I/O 区域一样用壕沟将 I/O 区域完全隔离,而需要留有“桥”以提供高速 I/O 信号的回流通过。同时 I/O 信号线,电源线(不包括GND,主要指VCC、+5V等)等任何线进入此区域都必须从桥上过,且在进入前必须滤波处理以防其杂讯对此干净区域造成干扰。

(3)音频接口区域抑制 EMI 设计: 主板上的音频信号来自 AC662 多媒体编码解码器,此芯片集成了数字,模拟,音频信号,而音频信号线很容易被干扰形成辐射,且会造成信噪比下降影响音质。所以,要将数字区,模拟区,音频区区分开来。音频信号频率都低 100KHz,属于低速,可以用低速数字 I/O 的处理方式, AC662 多媒体编码解码器区域可用高速数字的处理方式,两者综合,这样通过两层隔离设计保证了音频信号的品质,且不产生辐射干扰。

接下来“化二”讲解系统主板 I/O 区域抑制 EMI 的布线规则:
   
(1) PS/2 键盘鼠标 PS/2 布线一般有以下要求:
第一,走线需参考地层且不可跨壕沟;
第二,PS/2 键盘鼠标的数据线和其他时钟线分开走线;
第三,避开如 USB,VGA 视频等高速信号线。

(2) USB 布线一般有以下要求:
第一,USB 走线需参考地层且不可跨电源平面与壕沟,换层需打几个地通孔;
第二,USB 走线长度和之间的宽度要按照规格走线;
第三,USB 走线要尽量离旁边的线距离远,特别是时钟走线。
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差分对和其他信号线的间距≥20mil,与 clock 的间距≥50mil 以避免窜扰的产生。USB 差分线必须参考连续的平面(电源或地线),不能跨切割,否则会因为大的 loop面积造成感抗和辐射的增加。

尽量减少过孔和拐角以减少因阻抗变化引起的信号反射。如有拐角需则要用 45 度的拐角或圆弧。要尽量避免在 USB 线上的线头,因为这会引起阻抗的突变,造成信号反射并影响信号的质量。但是由于需加 ESD 器件无法避免拉线头接静电器件,则在一根线上的 stub 的总长不能超过 200mil,保证 20H 法则。    

EMI考虑,放置共模电感尽可能靠近 USB 连接器的信号引脚。但是共模电感会是损坏信号完整性,随着共模电感阻抗的增加,其影响也会增加,因此需要测试共模电感对信号的质量的影响。一般上 80-90ohm/100MHz 的阻抗对于噪声的衰减比较合适。电阻应靠近芯片,避免靠近时钟信号。

(3) LAN 网络通信接口 LAN 接口布线一般有以下要求:
     第一,走线需参考地层且不可跨电源平面与跨壕沟,尽量在同一层走线;
     第二,和其它线保持距离,尤其是时钟走线;
     第三,LAN 网络通信接口芯片尽量靠近 LAN 网络通信接口连接器;
     第四,LAN 网络通信接口芯片晶体震荡器下方不要有其它杂线走过;
     第五,LAN 网络通信接口芯片下面铺地层,并且打地通孔。

LAN 网络通信接口芯片要放在尽可能离 10/100M  t传输线近的位置,建议不超过12cm。RTSET 要尽可能靠近 LAN 网络通信接口芯片的引脚,并且远离 clock 和 TX+/-,RX+/-等高速线。信号传输线也要尽可能靠近 RJ45 连接口。

25MHz 时钟要放远离 I/O 口,重要的信号线(TX+/-,RX+/-),传输线以及板的边缘。发送线(TX+/-)上的端接电阻和电容要靠近 LAN 网络通信接口芯片,接收线(RX+/-)的端接电阻和电容要靠近传输线,从 LAN 网络通信接口芯片到信号传输线,从信号传输线到 RJ45 的线路要尽可能的短。
TX+/-和 RX+/-分别要差分走线(差分阻抗 100ohm),并且两组要等长。一定要注意 TX+-和 RX+-之间的间距要大于 3mm,而且这两对差分线尽量不要并行走线。可以隔离 TX 和 RX 差分对。RX+-信号最好不要有过孔.不要走 90 度的拐角。

(4)V视频VGA 布线一般有以下 3 点要求:
第一,VGA 视频走线(R/G/B 颜色模型颜色模型)需参考地层且不可跨电源平面与跨壕沟,换层处需打地通孔;
第二,和其它线保持距离,尤其是其它 I/O 走线;
第三,如果要加上保护地线,约 400-500mil 要打地通孔,两侧都要。R/G/B 颜色模型颜色模型单根走线阻抗为:75ohm 端接电阻前走 37.5 ohm +/-15% ;电阻后走 75 ohm +/-15%, R/G/B 颜色模型信号走线要求和其他的线距不小于 20mil。差分线:100 ohms +/-15%差分走线,不同组 LVDS 线对的最小间距为 20mil,蛇型绕线最小间距 20mil,同 n 最小间距 20mil,过孔数最多 2 个。把其他所有信号都和 LVDS 信号隔离开来,以避免其耦合到 R/G/B 颜色模型线上。

R/G/B 颜色模型的选择,必须使用阻抗控制的介质,差分阻抗要等于 100ohm,否则会因阻抗不连续在连接处突变而引起信号反射。一定要使用双绞线以新增加信号质量并减小噪声。 走线总长一定不能超过 16inch。

EMI 滤波器到 VGA 视频 连接口的阻抗控制为 55Ohm,线长<600mil。R/G/B 颜色模型信号最好有同样的与其它的信号最小间距 20mil,与非 R/G/B 颜色模型 颜色模型信号的间距不小于 40mil.视频滤波器的磁珠放置在进入 I/O 区域的位置。VGA 视频每个 I/O 信号都需要加上 ESD 器件,ESD 器件尽可能的靠近 VGA 视频 连接口,确保中间不会有其它的元器件,同时在 ESD 的地 引脚和 VCC 引脚上加上去耦 电容,提供高频泄放途径。

VGA 视频 连接口划分单独 I/O 地,通过内部开桥连接大地,同时在 IO 区域最好是有螺丝孔可以直接连到机壳,。HSYNC/VSYNC 信号阻抗为 55Ohm,这两个信号之间的间距至少 20mil,与其它信号之间的 Spacing 至少 30mil,level shift 前后各有 Rs为 39Ohm 的匹配电阻。REFSET 电阻尽量靠近北桥,远离开关信号至少 20mil

(5) Audio 音频 Audio 音频布线一般有以下要求:
第一,走线需参考模拟地层且不可跨壕沟;
第二,高速信号线不能从 Audio 音频区域经过,尤其是时钟走线;
第三,模拟地和数字地之间铺铜皮(30-50mil)连接,一般选择铺 3 块;
第四,模拟地层和数字地层用壕沟分开,并且在模拟地层打模拟地通孔。模拟信号线必须有接地回路;数字信号和模拟信号要远离;靠近模拟信号的数字信
号走线不要跨电源岛;数字部分与模拟部分要分开;数字地与模拟地的分隔线最少要50mil 宽。 端接电阻到音频编码解码器的走线小于 500mil
数字地跟模拟地要分开,模拟信号回流路径必须在模拟地上返回,数字信号的回流路径也必须在数字地上返回,但最后数字地跟模拟地会通过桥接在一起,之间间隙的宽度从60mil~100mil。开桥的宽度大概为 50mil,不允许信号穿过桥走线,端接电阻请靠近音频编码解码器,远离模拟信号。一个声源的左右声道走线最好有同样的拓扑结构,走线宽度一般为 5mil,间距至少 10mil。静电器件都靠近音频连接器,旁路电容用短粗线直接连到电源引脚上。另外需要注意的就是音频输出是数字信号,不要误认为是模拟信号。

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