在高速 PCB 設計中永遠不要跨越地平面間隙

2021-07-19

在高速 PCB 設計中永遠不要跨越地平面間隙

確保這些走線(xiàn)都沒(méi)有穿過(guò)地平面間隙

我經(jīng)常瀏覽電子產(chǎn)品和 PCB 論壇，我看到一遍又一遍地問(wèn)同樣的問(wèn)題：為什么我不應該在地平面的裂口上布線(xiàn)？從制造商到剛剛涉足高速 PCB 設計的專(zhuān)業(yè)設計師，每個(gè)人都會(huì )問(wèn)這個(gè)問(wèn)題。對于專(zhuān)業(yè)的信號完整性工程師來(lái)說(shuō)，答案應該是顯而易見(jiàn)的。

無(wú)論您是長(cháng)期從事 PCB 布局的工程師還是臨時(shí)設計師，了解這個(gè)問(wèn)題的答案都會(huì )有所幫助。答案總是被框定為始終/從不聲明。我通常不喜歡對 PCB 設計問(wèn)題給出絕對的答案，但在這種情況下，答案很明確：切勿將信號路由到地平面的間隙上。讓我們進(jìn)一步深入研究，了解為什么不應該在地平面的間隙上布線(xiàn)。

地平面間隙：低速和高速設計

回答這個(gè)問(wèn)題需要考慮信號在直流、低速和高速下的表現。這是因為每種類(lèi)型的信號都會(huì )在該參考平面中產(chǎn)生不同的返回路徑。您的信號所遵循的返回路徑將對電路板內產(chǎn)生的 EMI 以及特定電路對 EMI 的敏感性產(chǎn)生一些重要影響。

如果您了解 PCB 中的返回電流是如何形成的，那么就很容易了解它如何影響 EMI 和信號完整性。這就是為什么它很重要——它與接地平面間隙上的布線(xiàn)有關(guān)。電路板中的返回電流形成的回路決定了兩個(gè)重要的行為：

EMI 敏感性。電路中的電源和返回電流產(chǎn)生的環(huán)路決定了電路板對 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。

開(kāi)關(guān)信號振鈴。當信號在電平之間切換時(shí)，電路中的寄生電感決定了電路中瞬態(tài)響應所經(jīng)歷的阻尼水平。當與電路中的寄生電容一起使用時(shí)，這兩個(gè)量決定了瞬態(tài)響應的固有頻率和阻尼振蕩頻率。

讓我們詳細看一下直流、低速和高速信號：

直流電壓/電流

當電路板使用直流電源運行時(shí)，不會(huì )直接在信號走線(xiàn)下方產(chǎn)生返回電流；它將沿著(zhù)一條直線(xiàn)回到供應返回點(diǎn)。這意味著(zhù)您基本上無(wú)法控制返回路徑，并且由于寄生電感較大，電路板可能容易受到 EMI 的影響。有人會(huì )認為，因為電源沒(méi)有切換，所以不會(huì )有瞬態(tài)振蕩，因此微帶線(xiàn)走線(xiàn)是否穿過(guò)地平面間隙也沒(méi)有關(guān)系。雖然沒(méi)有振蕩，但仍然存在 EMI 敏感性問(wèn)題。您應該盡量保持直流回路電感盡可能低，避免通過(guò)接地層間隙布線(xiàn)是減少回路電感的最佳方法。

低速信號

就像直流信號一樣，返回路徑?jīng)Q定了電路的環(huán)路電感，它決定了瞬態(tài)響應中的EMI 敏感性和阻尼。如果環(huán)路電感較大，阻尼率將較低，就像 DC 信號的情況一樣，通過(guò)接地層間隙布線(xiàn)會(huì )增加環(huán)路電感，從而影響信號完整性、電源完整性和 EMI。

不幸的是，低速信號已成為歷史，每塊使用 TTL 和更快邏輯的電路板都將表現為高速電路。對于低速信號（通常為 10 ns 的上升時(shí)間或更慢），特定電路中的振鈴幅度通常足夠低，以至于不會(huì )被注意到。因此，只要信號不通過(guò)地平面間隙路由，環(huán)路電感通常就足夠低以防止強烈振鈴、EMI 敏感性和相關(guān)的電源完整性問(wèn)題。

高速信號

如果我采用設計為低速運行的電路板，并使用高速信號運行它，對于給定的電路環(huán)路電感，振鈴幅度將更大。同樣，這說(shuō)明需要保持電路板中的環(huán)路電感盡可能小。目標是提供盡可能多的阻尼，以減少給定互連中的振鈴幅度。同樣，通過(guò)接地平面間隙布線(xiàn)將避免增加環(huán)路電感。此外，接地平面應放置在承載高速電路的信號層下方，以確保整個(gè)互連中的環(huán)路電感盡可能低。

通過(guò)接地層間隙路由的信號的示例返回路徑。

另一種查看接地層間隙的方法是阻抗不連續性。如果信號通過(guò)接地平面間隙路由，間隙上方區域的阻抗將大于互連其余部分的阻抗。除了上述加劇的振鈴問(wèn)題外，這還會(huì )導致信號反射。

了解有關(guān)地平面間隙上高速信號傳輸的更多信息。

上面提到的關(guān)于數字信號的一切都同樣適用于模擬信號。上面提到的瞬態(tài)信號問(wèn)題與電源完整性問(wèn)題有關(guān)，尤其是在使用高柵極/引腳數組件的電路板中。層堆棧應專(zhuān)門(mén)設計為支持快于 TTL 的組件（見(jiàn)下文）。

電源軌和地平面間隙

請注意，我們已經(jīng)從信號完整性的角度研究了這一點(diǎn)，但同樣的想法也適用于電源完整性。正如微帶線(xiàn)走線(xiàn)不應穿過(guò)地平面間隙一樣，您也應該避免在地平面間隙上方的表面層上布線(xiàn)電源軌。如果您為數字 IC 提供直流電源，當 IC 在 ON 和 OFF 狀態(tài)之間切換時(shí)，它會(huì )從電源汲取一些電流。這將在電源軌上產(chǎn)生電壓紋波。

電源電壓中的這種特殊瞬態(tài)響應表現為阻尼振蕩。其幅度與 PDN的阻抗成正比，與 PDN 中的阻尼水平成反比。就像阻尼與標準 PCB 互連中的環(huán)路電感成反比一樣，這同樣適用于 PDN 中的瞬態(tài)響應。這意味著(zhù)如果保持較小的環(huán)路電感，則可以抑制電源軌上的瞬態(tài)響應。做到這一點(diǎn)的最佳方法是將接地平面放置在與電源平面直接相鄰的層上，并避免在任何接地平面間隙上布線(xiàn)任何電源軌。

如果您使用的是兩層電路板并且沒(méi)有空間放置接地層，則應仔細規劃電路板中的返回路徑，以保持較小的環(huán)路電感。一種選擇是在頂層和底層使用網(wǎng)格布置的接地區域，并通過(guò)過(guò)孔將它們連接起來(lái)。但是，如果您正在處理高速信號（TTL 和更快），由于PDN 中的電容不足，您會(huì )在電源軌上看到較大的電壓波動(dòng)。這是高速電路板中電源和地平面放置在相鄰層上，而地平面直接放置在信號/元件層下方的主要原因。

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