混合信號 PCB 布局中的重疊平面

2021-07-01

混合信號 PCB 布局中的重疊平面

電源平面，或者至少是用于電源的多邊形澆注，在現代 PCB 中是必不可少的，而且我們所知道的數字系統如果不能夠將電源網(wǎng)絡(luò )分成不同的區域就存在是值得懷疑的。對于名義上在 DC 下運行的數字板（可能帶有來(lái)自開(kāi)關(guān)穩壓器的一些疊加噪聲），拆分電源層或使用多個(gè)電源層是將標準內核/邏輯級別的大電流路由到數字組件的必要條件。但是模擬電源網(wǎng)及其提供的電源呢？我們如何將這些整合到混合信號 PCB 布局中？

一旦您開(kāi)始將模擬和數字部分混合到具有多個(gè)網(wǎng)絡(luò )的電源層中，如果您不小心布局，就很難在設計中實(shí)現清潔電源。在高頻下，當不同類(lèi)型的平面區域重疊時(shí)，這會(huì )在高達 RF 頻率時(shí)產(chǎn)生明顯的 EMI 問(wèn)題。在這種情況下，我們需要考慮如何在高層計數板中交錯電源和接地區域，或者在低層計數板中分離不同的電源區域。

混合信號平面問(wèn)題

在混合信號 PCB 布局、平面設計和疊層設計中反復出現的一大爭論是如何布置接地和電源網(wǎng)絡(luò )，甚至是什么特別適合作為接地。例如，假設您決定擁有一個(gè)僅模擬地平面和一個(gè)僅數字地平面（僅供參考，您可能不應該這樣做）；如果這些平面部分在物理上斷開(kāi)連接，那么哪些定義為 0 V？如果它們與上限連接，它們是否僅共享相同的潛力？這不是一個(gè)微不足道的問(wèn)題。

同樣的問(wèn)題適用于一對電源平面，或者更確切地說(shuō)，任何一對由絕緣體隔開(kāi)且它們之間具有非零電位差的導體。如果你認為這聽(tīng)起來(lái)像一個(gè)電容器，那么你是對的！任何時(shí)候你有兩個(gè)被絕緣電介質(zhì)隔開(kāi)的平面或多邊形，你就創(chuàng )造了一個(gè)電容器。這意味著(zhù)電源平面將在它們之間產(chǎn)生電位時(shí)充電和放電，包括兩個(gè)電源平面、兩個(gè)接地平面或一對電源/接地平面。

考慮下面的多邊形排列。紫色多邊形為兩個(gè) IC 提供 VDD 電源，名義上是直流電壓；相鄰層被接地。淺藍色區域是由不同穩壓器提供的不同電壓下的另一個(gè)直流網(wǎng)絡(luò )。問(wèn)題是：如果我們將這些堆疊在多層 PCB 中會(huì )發(fā)生什么？

重疊這些電源層是否合適，還是應該在同一層中保持間隙？

上面的安排顯示了兩個(gè)直流網(wǎng)絡(luò )，我將在后面更詳細地討論這種情況，但是如果淺藍色區域是模擬電源網(wǎng)絡(luò )呢？在混合信號 PCB 布局中，我們不得不問(wèn)一個(gè)問(wèn)題，我們應該如何安排重疊的平面，以便我們不會(huì )在電路板的不同區域之間耦合噪聲？請記住，混合信號 PCB 布局的主要挑戰之一是防止模擬和數字信號之間的意外干擾，這主要會(huì )降低模擬信號的性能。兩個(gè)平面層之間的電容在這里是有問(wèn)題的，并且在高頻下變得更成問(wèn)題。

以下是如何更好地了解不同電位下重疊平面的影響，尤其是在混合信號 PCB 中。

重疊直流和模擬電源

當您將數字和模擬多邊形或平面重疊時(shí)，由于模擬平面中的振蕩，兩個(gè)電源區域之間的電容將作為位移電流不斷充電和放電。這在概念上如下所示：

兩個(gè)平面之間的位移電流是一種噪聲。該噪聲電流在較高頻率下會(huì )更大。

在高頻和高功率下，例如當通過(guò)模擬電源總線(xiàn)為 RF 信號提供電源時(shí)，由于平面區域每一側的振蕩位移電流，平面之間的這種耦合會(huì )產(chǎn)生 RF 輻射。這在高 GHz 功率產(chǎn)品中可能會(huì )出現問(wèn)題，然后會(huì )在電路板內部激發(fā)結構共振。如果不應用某些抑制步驟，例如使用過(guò)孔縫合或更復雜的多邊形（如用于天線(xiàn)隔離的電子帶隙結構），這會(huì )導致電路板產(chǎn)生強烈的邊緣輻射。

使用單個(gè)未拆分的接地平面

當我寫(xiě)“un-split”時(shí)，我的意思是一個(gè)沒(méi)有任何物理斷開(kāi)部分的地平面。建議將模擬電路和數字電路放在統一接地之上的不同區域，其想法是利用高頻/高速返回路徑來(lái)創(chuàng )建一些隔離。此外，這有助于消除在電路板上來(lái)回布線(xiàn)模擬/數字跡線(xiàn)的需要，從而減少串擾機會(huì )的數量。其中概述了為什么最好只使用統一的地平面。

兩個(gè)不同電位的直流平面怎么樣？

當您有兩個(gè)不同直流電壓的電源平面時(shí)，它們最初會(huì )充電到各自的直流電壓，并且在這種穩定狀態(tài)下，平面上不會(huì )有任何位移電流。然而，直流平面并不真正處于直流電位。請注意，由于來(lái)自開(kāi)關(guān)穩壓器的噪聲，每個(gè)平面的電位可能只是名義上的 DC，每個(gè)平面中都疊加了一些開(kāi)關(guān)噪聲?？梢栽趦蓚€(gè) DC 平面之間耦合的非典型噪聲為：

來(lái)自穩壓器的開(kāi)關(guān)噪聲，可以跨越許多諧波并達到高 MHz 水平

來(lái)自其他來(lái)源的噪聲，例如共模噪聲或從外部輻射器接收的任何 EMI

這是在 PCB 中統一接地平面上布置模擬電源和多個(gè)直流電源網(wǎng)絡(luò )的一種方法。確保盡可能將路由分隔到不同的區域。

概括

如果您將所有接地連接到作為系統接地的單個(gè)參考平面，那么您使用的任何接地都將（或應該）在系統中具有相同的 0 V 電位定義。這意味著(zhù)模擬地和數字地之間的區別是沒(méi)有意義的，我們只需要擔心模擬和數字電源。