高速 PCB 設(shè)計(jì)中切勿跨越接地層間隙

確保這些線(xiàn)不會(huì)穿過(guò)地面間隙

我經(jīng)常瀏覽電子產(chǎn)品和PCB論壇，看到我一次又一次地問(wèn)同樣的問(wèn)題：為什么不應(yīng)該在地平面的裂縫上布線(xiàn)？ 從制造商到剛剛涉足高速PCB設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)師，每個(gè)人都會(huì)問(wèn)這個(gè)問(wèn)題。 對(duì)于專(zhuān)業(yè)的信號(hào)完整性工程師來(lái)說(shuō)，答案應(yīng)該是顯而易見(jiàn)的。

無(wú)論您是長(zhǎng)期的 PCB 布局工程師還是臨時(shí)設(shè)計(jì)師，了解這個(gè)問(wèn)題的答案都會(huì)有所幫助。 答案總是被框定為總是/從未陳述過(guò)。 我通常不喜歡對(duì) PCB 設(shè)計(jì)問(wèn)題給出絕對(duì)答案，但在這種情況下，答案很明確：永遠(yuǎn)不要將信號(hào)路由到接地層上的間隙。 讓我們仔細(xì)看看為什么我們不應(yīng)該在地平面的間隙上布線(xiàn)。

離地間隙：低速和高速設(shè)計(jì)

要回答這個(gè)問(wèn)題，需要考慮信號(hào)在直流、低速和高速下的表現(xiàn)。 這是因?yàn)槊糠N類(lèi)型的信號(hào)都會(huì)在參考平面中生成不同的返回路徑。 信號(hào)所遵循的返回路徑將對(duì)電路板中產(chǎn)生的 EMI 以及特定電路對(duì) EMI 的敏感度產(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，就很容易理解它如何影響 EMI 和信號(hào)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電路決定了兩個(gè)重要的行為：

EMI 靈敏度。 電路中電源和返回電流產(chǎn)生的環(huán)路決定了電路板對(duì)EMI的敏感度。 具有大電流環(huán)路的電路將具有較大的寄生電感，使其更容易受到輻射EMI的影響。

開(kāi)關(guān)信號(hào)響起。 當(dāng)信號(hào)在電平之間切換時(shí)，電路中的寄生電感決定電路中瞬態(tài)響應(yīng)的阻尼水平。 當(dāng)與電路中的寄生電容器一起使用時(shí)，這兩個(gè)量決定瞬態(tài)響應(yīng)的固有頻率和阻尼振蕩頻率。

讓我們?cè)敿?xì)看看直流、低速和高速信號(hào)：

直流電壓/電流

當(dāng)電路板采用直流電源工作時(shí)，信號(hào)走線(xiàn)正下方不會(huì)產(chǎn)生回流； 它將沿著一條直線(xiàn)回到補(bǔ)給返回點(diǎn)。 這意味著您基本上無(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。 有些人可能認(rèn)為，因?yàn)殡娫礇](méi)有切換，所以不會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)振蕩，所以微帶線(xiàn)是否穿過(guò)地平面間隙并不重要。 雖然沒(méi)有振蕩，但EMI敏感度問(wèn)題仍然存在。 應(yīng)盡量保持直流電路的電感盡可能低。 減少電路電感的最佳方法是避免通過(guò)接地層間隙布線(xiàn)。

低速信號(hào)

就像直流信號(hào)一樣，返回路徑?jīng)Q定了電路的環(huán)路電感，從而決定了瞬態(tài)響應(yīng)中的 EMI 靈敏度和阻尼。 如果環(huán)路電感較大，則阻尼率會(huì)較低。 與直流信號(hào)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(hào)完整性、電源完整性和 EMI。

不幸的是，低速信號(hào)已成為歷史，每個(gè)使用 TTL 和更快邏輯的電路板都將表現(xiàn)為高速電路。 對(duì)于低速信號(hào)（通常為 10 ns 上升時(shí)間或更慢），特定電路中的振鈴幅度通常低到不易被注意到。 因此，只要信號(hào)不穿過(guò)接地層間隙，環(huán)路電感通常就足夠低，以防止強(qiáng)烈的振鈴、EMI 敏感性和相關(guān)的電源完整性問(wèn)題。

高速信號(hào)

如果我使用專(zhuān)為低速運(yùn)行設(shè)計(jì)的電路板并以高速信號(hào)運(yùn)行它，則對(duì)于給定的電路環(huán)路電感，振鈴幅度將會(huì)更大。 同樣，這意味著電路板中的環(huán)路電感需要保持盡可能小。 目標(biāo)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)接地層間隙布線(xiàn)將避免增加環(huán)路電感。 另外，接地平面應(yīng)放置在承載高速電路的信號(hào)層下方，以保證整個(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(hào)返回路徑示例。

查看接地層間隙的另一種方法是阻抗不連續(xù)性。 如果信號(hào)通過(guò)接地層間隙路由，則間隙上方區(qū)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)造成信號(hào)反射。

了解有關(guān)接地層間隙上的高速信號(hào)傳輸?shù)母嘈畔ⅰ?/strong>

上述關(guān)于數(shù)字信號(hào)的所有內(nèi)容同樣適用于模擬信號(hào)。 上述瞬態(tài)信號(hào)問(wèn)題與電源完整性問(wèn)題有關(guān)，特別是在使用高柵極/引腳數(shù)組件的電路板中。 層堆棧應(yīng)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)為支持比 TTL 組件更快的速度（見(jiàn)下文）。

電源軌和接地層之間的間隙

請(qǐng)注意，我們從信號(hào)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。 正如微帶布線(xiàn)不應(yīng)穿過(guò)接地平面間隙一樣，您還應(yīng)該避免在接地平面間隙上方的表面層上布線(xiàn)電源軌。 如果為數(shù)字 IC 提供直流電源，當(dāng) IC 在 ON 和 OFF 狀態(tài)之間切換時(shí)，它將從電源吸取一些電流。 這將在電源軌上產(chǎn)生電壓紋波。

電源電壓的這種特殊瞬態(tài)響應(yīng)的特點(diǎn)是阻尼振蕩。 其幅度與 PDN 的阻抗成正比，與 PDN 的阻尼水平成反比。 正如阻尼與標(biāo)準(zhǔn) PCB 互連中的環(huán)路電感成反比一樣，這也適用于 PDN 中的瞬態(tài)響應(yīng)。 這意味著，如果環(huán)路電感保持較小，則可以抑制電源軌上的瞬態(tài)響應(yīng)。 做到這一點(diǎn)的最佳方法是將接地層放置在與電源層直接相鄰的層上，并避免在任何接地層間隙上布線(xiàn)任何電源軌。

如果您使用的是兩層板并且沒(méi)有空間放置接地層，則應(yīng)仔細(xì)規(guī)劃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)格排列的接地區(qū)域，并通過(guò)過(guò)孔將它們連接起來(lái)。 然而，如果您正在處理高速信號(hào)（TTL 或更快），您會(huì)發(fā)現(xiàn)由于 PDN 中的電容不足，電源軌上會(huì)出現(xiàn)較大的電壓波動(dòng)。 這就是為什么高速電路板中電源層和接地層放在相鄰層，而接地層則放在相鄰層的主要原因。