遵循多層接地回路以防止 EMI

2021-06-16

遵循多層接地回路以防止 EMI

確保這些走線(xiàn)都沒(méi)有穿過(guò)地平面間隙

在復雜的多層 PCB 中，沿著(zhù)返回地面的路徑很快就會(huì )變得復雜。當您的 PCB 層數較少時(shí)（例如，具有兩個(gè)平面層的 4 層板），確定返回路徑并有意設計以防止 EMI 變得相當容易。當您使用更高的層數時(shí)，情況會(huì )變得更加復雜。即使導體未接地，多個(gè)平面層和導體也可以形成接地回路。這有助于區分地平面和參考平面，因為兩者都可以構成 PCB 中返回路徑的一部分。

接地返回路徑與參考平面

參考平面是信號傳輸路徑的固有部分。它們是有意放置在您的電路板上，例如信號走線(xiàn)的接地平面，還是靠近信號走線(xiàn)的無(wú)意參考平面，如果您不仔細跟蹤整個(gè)電路板上信號走線(xiàn)的位置，可能很難確定. 信號的接地回路實(shí)際上可能不會(huì )流經(jīng)地面；它可以穿過(guò)機箱、電源層或其他一些接地導體。

無(wú)論返回路徑在電路板上的何處運行，它總是會(huì )嘗試返回電路板上的低電位點(diǎn)，即返回電源的接地返回點(diǎn)。無(wú)論返回信號是在機箱、電源平面還是其他導體中感應出的，由于接地導體和保持較高電位的導體之間存在電位差，它都會(huì )被拉回地面。

除了作為信號傳播時(shí)的振鈴特性之外，信號的返回路徑還決定了以下行為：

EMI 敏感性。返回路徑產(chǎn)生的環(huán)路電感決定了電路對 EMI的敏感性。具有大電流回路的電路將具有更大的寄生電感，使其更容易受到輻射 EMI 的影響。環(huán)路越緊，環(huán)路電感越低。這就是為什么高速信號走線(xiàn)應靠近相鄰層上的參考平面布線(xiàn)的原因之一。

混合信號板中的干擾。信號承載導體與其最近的參考導體之間的寄生電容，以及電路產(chǎn)生的環(huán)路，決定了開(kāi)關(guān)信號所見(jiàn)的電抗。由于電抗是信號中頻率成分的函數，因此信號返回路徑在中等頻率下變得更加難以預測。閱讀本指南以了解有關(guān)為單個(gè)平面層設計混合信號返回路徑的更多信息。

共模噪聲路徑。共模噪聲一旦在給定的走線(xiàn)中感應出來(lái)，就會(huì )嘗試沿著(zhù)與信號返回地面相同的路徑。共模噪聲所遵循的確切接地回路取決于其頻率成分，因為這決定了信號所見(jiàn)的電抗。

當我們在具有多個(gè)平面層的多層堆疊中布線(xiàn)時(shí)，情況變得更加復雜，因為參考導體可以沿信號路徑變化。決定初始參考平面的主要量是信號走線(xiàn)和附近導體之間的寄生電容以及電路的電感。請注意，由于電感的存在，寄生阻抗不會(huì )局限于相鄰導體，這會(huì )在多層板中形成復雜的接地回路。

你能追蹤這些走線(xiàn)的接地回路嗎？

回到堅實(shí)的地面返回路徑

如果您已經(jīng)閱讀了我上面寫(xiě)的內容，并且仍然想知道復雜 PCB 中的返回電流會(huì )發(fā)生什么，您可能會(huì )問(wèn)自己：當電流耦合到接地層或其他接地導體時(shí)會(huì )發(fā)生什么? 首先為什么會(huì )發(fā)生這種情況？?jì)烧叨际怯行У膯?wèn)題。

相鄰導體之間的寄生

讓我們先解決第二個(gè)問(wèn)題，因為它有助于解釋第一個(gè)問(wèn)題的答案。引入返回路徑的位置取決于信號走線(xiàn)和相鄰導體之間的電容，以及由信號走線(xiàn)和相關(guān)導體形成的電路的自感。這些量共同決定了信號所見(jiàn)的阻抗。

阻抗最低的路徑（請注意，該路徑可以指向通過(guò)基板或通過(guò)空氣?。┦欠祷仉娏髯裱姆较?。恰好在信號跡線(xiàn)和候選導體之間呈現最低阻抗（即，最強耦合）的路徑恰好是最近的導體，因為該路徑通常提供最大的電容和最小的電感。

電源平面作為接地返回路徑

這就解釋了為什么如果電源平面比最近的接地平面更靠近給定的信號走線(xiàn)，它可以充當參考導體。電源平面和信號走線(xiàn)之間的電容/電感阻抗可能比走線(xiàn)與其最近的接地平面之間的阻抗值大得多。我們在此處講述的故事有效地描述了信號在穿過(guò)多層 PCB 中的多個(gè)層時(shí)如何改變參考平面。

信號穿過(guò)多層 PCB 中的電源層的示例返回路徑。

現在問(wèn)第三個(gè)問(wèn)題：耦合到電源層的返回信號如何返回到接地的返回路徑？電源層和接地層將有一些層間電容，允許返回電流耦合回接地層。如果旁路電容器連接在電源端口和接地層之間，它們還會(huì )為電源層中感應的返回信號提供一些容性和感性阻抗。

精明的設計人員應該意識到，一般情況下，您不應在電源平面上布線(xiàn)，因為很難控制返回路徑，尤其是在高速/高頻板中。您應該始終在設計電路板時(shí)考慮到返回路徑，以控制串擾，尤其是在混合信號板中。