高速 PCB 設計中切勿跨越接地層間隙

確保這些線不會穿過地面間隙

我經常瀏覽電子產品和PCB論壇，看到我一次又一次地問同樣的問題：為什么不應該在地平面的裂縫上布線？ 從制造商到剛剛涉足高速PCB設計的專業設計師，每個人都會問這個問題。 對于專業的信號完整性工程師來說，答案應該是顯而易見的。

無論您是長期的 PCB 布局工程師還是臨時設計師，了解這個問題的答案都會有所幫助。 答案總是被框定為總是/從未陳述過。 我通常不喜歡對 PCB 設計問題給出絕對答案，但在這種情況下，答案很明確：永遠不要將信號路由到接地層上的間隙。 讓我們仔細看看為什么我們不應該在地平面的間隙上布線。

離地間隙：低速和高速設計

要回答這個問題，需要考慮信號在直流、低速和高速下的表現。 這是因為每種類型的信號都會在參考平面中生成不同的返回路徑。 信號所遵循的返回路徑將對電路板中產生的 EMI 以及特定電路對 EMI 的敏感度產生一些重要影響。

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有關。 電路板中的返回電流形成的電路決定了兩個重要的行為：

EMI 靈敏度。 電路中電源和返回電流產生的環路決定了電路板對EMI的敏感度。 具有大電流環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。

開關信號響起。 當信號在電平之間切換時，電路中的寄生電感決定電路中瞬態響應的阻尼水平。 當與電路中的寄生電容器一起使用時，這兩個量決定瞬態響應的固有頻率和阻尼振蕩頻率。

讓我們詳細看看直流、低速和高速信號：

直流電壓/電流

當電路板采用直流電源工作時，信號走線正下方不會產生回流； 它將沿著一條直線回到補給返回點。 這意味著您基本上無法控制返回路徑，并且由于寄生電感較大，電路板可能容易受到 EMI 的影響。 有些人可能認為，因為電源沒有切換，所以不會出現瞬態振蕩，所以微帶線是否穿過地平面間隙并不重要。 雖然沒有振蕩，但EMI敏感度問題仍然存在。 應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接地層間隙布線。

低速信號

就像直流信號一樣，返回路徑決定了電路的環路電感，從而決定了瞬態響應中的 EMI 靈敏度和阻尼。 如果環路電感較大，則阻尼率會較低。 與直流信號的情況一樣，通過接地層間隙布線會增加環路電感，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，每個使用 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 上升時間或更慢），特定電路中的振鈴幅度通常低到不易被注意到。 因此，只要信號不穿過接地層間隙，環路電感通常就足夠低，以防止強烈的振鈴、EMI 敏感性和相關的電源完整性問題。

高速信號

如果我使用專為低速運行設計的電路板并以高速信號運行它，則對于給定的電路環路電感，振鈴幅度將會更大。 同樣，這意味著電路板中的環路電感需要保持盡可能小。 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，通過接地層間隙布線將避免增加環路電感。 另外，接地平面應放置在承載高速電路的信號層下方，以保證整個互連中的環路電感盡可能低。

通過接地層間隙路由的信號返回路徑示例。

查看接地層間隙的另一種方法是阻抗不連續性。 如果信號通過接地層間隙路由，則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題外，這還會造成信號反射。

了解有關接地層間隙上的高速信號傳輸的更多信息。

上述關于數字信號的所有內容同樣適用于模擬信號。 上述瞬態信號問題與電源完整性問題有關，特別是在使用高柵極/引腳數組件的電路板中。 層堆棧應專門設計為支持比 TTL 組件更快的速度（見下文）。

電源軌和接地層之間的間隙

請注意，我們從信號完整性的角度研究了這一點，但同樣的想法也適用于電源完整性。 正如微帶布線不應穿過接地平面間隙一樣，您還應該避免在接地平面間隙上方的表面層上布線電源軌。 如果為數字 IC 提供直流電源，當 IC 在 ON 和 OFF 狀態之間切換時，它將從電源吸取一些電流。 這將在電源軌上產生電壓紋波。

電源電壓的這種特殊瞬態響應的特點是阻尼振蕩。 其幅度與 PDN 的阻抗成正比，與 PDN 的阻尼水平成反比。 正如阻尼與標準 PCB 互連中的環路電感成反比一樣，這也適用于 PDN 中的瞬態響應。 這意味著，如果環路電感保持較小，則可以抑制電源軌上的瞬態響應。 做到這一點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任何電源軌。

如果您使用的是兩層板并且沒有空間放置接地層，則應仔細規劃板中的返回路徑以保持較小的環路電感。 一種選擇是在頂層和底層使用網格排列的接地區域，并通過過孔將它們連接起來。 然而，如果您正在處理高速信號（TTL 或更快），您會發現由于 PDN 中的電容不足，電源軌上會出現較大的電壓波動。 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。