您應該在 PCB 電源平面中路由信號嗎？

2021-08-09

您應該在 PCB 電源平面中路由信號嗎？

再一次，我們有一個(gè)很好的例子，說(shuō)明一個(gè)長(cháng)期存在的設計指南沒(méi)有足夠的背景。這個(gè)問(wèn)題的簡(jiǎn)短回答是“是”，在某些情況下可以這樣做。這種做法很常見(jiàn)，我們在客戶(hù)端板上這樣做，這些產(chǎn)品沒(méi)有任何阻抗問(wèn)題、EMC 問(wèn)題或 DC 功率損耗，因為疊層設計正確，并且因為我們考慮了如何正確布線(xiàn)設計。但是，在電源層上布線(xiàn)信號或在信號層上布線(xiàn)電源軌時(shí)，需要考慮多個(gè)維度。困難來(lái)自對電路板中電源完整性、受控阻抗和直流電源分配的考慮。

如何在 PCB 電源平面層中路由信號

在開(kāi)始用走線(xiàn)切割 PCB 的電源平面層之前，您需要考慮以下方面的設計要求：

電源平面電流容量

低速與高速信號和阻抗

如果平面用作參考層，則返回路徑

讓我們更詳細地了解每個(gè)領(lǐng)域。

電源平面電流容量

每當您設計電源平面時(shí)，它都會(huì )有一些定義的載流能力，這與構成平面層的銅的尺寸有關(guān)。如果您開(kāi)始通過(guò)高功率平面布線(xiàn)，您將平面分割成多個(gè)部分，每個(gè)部分的電流容量將低于統一平面層。此外，如果您的電源層的形狀非常復雜，您最終可能會(huì )創(chuàng )建一個(gè)具有高電流密度的漏斗，該漏斗會(huì )變得很熱。您可以在 PDN 分析器模擬中可視化這樣的效果。

高電流電源平面中的這個(gè)區域可以充當具有較低電流容量的阻塞點(diǎn)。

彌補電源層中布線(xiàn)的一種解決方案是在相鄰層上使用另一個(gè)并行運行的電源平面。在這種安排中，您實(shí)際上是將電流分流到兩個(gè)平行平面，這將有助于確保您不會(huì )超過(guò)任何一個(gè)平面部分的電流容量。對于大多數低功耗設備，您通常無(wú)需擔心這一點(diǎn)。但是，如果您有一個(gè)高功率系統，則可能無(wú)論如何都需要這樣做，以便系統可以提供足夠的功率而不會(huì )變得太熱。一個(gè)常見(jiàn)的例子是背板(3U/6U) 或其他機架安裝單元。

跟蹤阻抗

如果您沒(méi)有通過(guò)電源層上的覆銅布布線(xiàn)受控阻抗線(xiàn)，您就不必太擔心這一點(diǎn)。只要您遵循此列表中的其他準則（如果適用），SPI 和 I2C 等低速數字協(xié)議以及 GPIO 就可以通過(guò)覆銅路由而不會(huì )出現問(wèn)題。阻抗很重要的高速協(xié)議是另一回事，您需要確保在這些跡線(xiàn)周?chē)峁┳銐虻母层~間隙，以確保不違反阻抗目標。如果您的功率注入太靠近您的走線(xiàn)，那么您需要在層堆疊中使用共面計算，以確保您不會(huì )違反阻抗容差。

在這個(gè)例子中，我已經(jīng)清除了電源層，因為在這一層更容易為走線(xiàn)騰出空間。請注意，我還忽略了大中央區域的銅，因為由于該板的間隙規則，它不會(huì )提供任何有用的功能。

通過(guò)應用高間隙切割平面所涉及的危險是最終將銅切割成太多部分。如果走線(xiàn)過(guò)多，則會(huì )在布局周?chē)粝麓罅渴Ｓ嗟你~，這些銅被切成小塊。對于同樣需要阻抗控制的低層數板，您可能沒(méi)有另一個(gè)電源層用于將所有這些部分重新連接在一起。如果您發(fā)現必須通過(guò)電源層布線(xiàn)大量走線(xiàn)，最好再添加兩層（電源層和接地層）。

返回路徑

與任何其他情況下的布線(xiàn)一樣，請確保 PCB 中的信號具有明確定義的返回路徑，尤其是在電源層布線(xiàn)時(shí)。這里的問(wèn)題是如果您在相鄰層中布線(xiàn)。當您在與電源區域相同的層中布線(xiàn)時(shí)，您將在參考平面中放置間隙。對于電源區域，這通常沒(méi)問(wèn)題，除非您使用電源區域作為另一層信號的參考。然后，如果您碰巧穿過(guò)這些間隙之一，則會(huì )創(chuàng )建一個(gè)具有更高寄生電感的區域，然后可以從串擾或外部源接收更多 EMI。

對于在兩個(gè)平面層之間傳播的低速協(xié)議，只要另一層中的平面是統一的，您就可以通過(guò)拆分的電源平面進(jìn)行路由。您創(chuàng )建的阻抗不連續性將在電氣上很短，因此您無(wú)需擔心反射，并且另一層上存在平面有助于確保仍然存在明確的返回路徑，盡管該區域的電感較高隨著(zhù)飛機分裂。對于更高速度的信號，這更為重要，您最好添加一個(gè)新層來(lái)為這些信號騰出空間，而不是切斷電源層。

概括

總而言之，如果您使用不需要阻抗控制的低速數字信號操作，我不會(huì )太擔心電源覆銅中的布線(xiàn)。請注意電源層周?chē)碾娏髀窂?，盡量不要將電源層切成小島。在其他情況下，您應該使用附加層并在那里布線(xiàn)。此外，必要時(shí)請注意阻抗要求：放置得太靠近帶狀線(xiàn)或微帶線(xiàn)的銅會(huì )產(chǎn)生阻抗偏差，確保附近有另一個(gè)參考平面，并避免穿過(guò)相鄰層的間隙布線(xiàn)。