您应该使用(yòng)電(diàn)源平面作為(wèi)返回路径吗？

2021-06-18

您应该使用(yòng)電(diàn)源平面作為(wèi)返回路径吗？

電(diàn)源层和接地层不仅对電(diàn)源和返回電(diàn)源的分(fēn)配很(hěn)重要。在定义参考平面时，通过阻抗控制布線(xiàn)和管理(lǐ)返回路径，您的叠层可(kě)能(néng)会强制返回電(diàn)流在耦合回接地层之前进入電(diàn)源平面。让我们来看看一些使用(yòng)電(diàn)源平面作為(wèi)返回路径来控制 PCB 中返回路径的良好做法。

以電(diàn)源平面作為(wèi)返回路径的信号行為(wèi)

除非您想在EMI 敏感性、瞬态振铃和一致阻抗方面遇到问题，否则您需要仔细管理(lǐ)与参考平面的距离。如果您可(kě)以选择使用(yòng)電(diàn)源层或接地层作為(wèi)返回路径或信号参考，则应始终选择接地层。这有(yǒu)两个原因，我将在下面更详细地解释。

首先，即使返回電(diàn)流进入電(diàn)源层，它最终也需要接地。其次，当您采用(yòng)信号-電(diàn)源-信号-接地层布置时，不需要的干扰和开关噪声会在電(diàn)源层和附近的信号层之间耦合。稍微好一点的安排是在层堆栈中使用(yòng)信号電(diàn)源接地信号。電(diàn)源层仍将用(yòng)作返回层，但返回路径仍可(kě)作為(wèi)位移電(diàn)流返回接地。

在具有(yǒu)密集组件布局和布線(xiàn)的高速電(diàn)路板中，通常应避免将電(diàn)源平面或電(diàn)源轨用(yòng)作返回路径的情况。对于敏感電(diàn)源轨尤其如此，例如用(yòng)于為(wèi)模拟收发器、PLL、脉冲驱动器電(diàn)路或其他(tā)对抖动和其他(tā)噪声问题特别敏感的组件供電(diàn)的電(diàn)源轨。

具有(yǒu)多(duō)个電(diàn)源平面的首选堆叠

尽管您可(kě)以将電(diàn)源平面用(yòng)作信号的阻抗参考和返回路径，但您需要在附近放置一个接地平面，以防止在如下所示的层堆栈类型中的层之间发生耦合。顶部信号层耦合到電(diàn)源层（蓝色），底部信号层耦合到接地层（红色）。

层堆栈的类型可(kě)以允许噪声从信号层 1 耦合到信号层 3。

这种层排列并不理(lǐ)想，因為(wèi)您有(yǒu)两个相邻的信号层，这可(kě)能(néng)会促进串扰。它还允许开关噪声从信号层 1（表面层）電(diàn)容耦合到信号层 3。更好的安排是使用(yòng) 8 层板代替，在表面层下方有(yǒu)两个接地层，另一个在内部信号层之间层。

通常，由于信号走線(xiàn)的尺寸小(xiǎo)，相邻层之间的寄生電(diàn)容可(kě)能(néng)非常小(xiǎo)，从而在電(diàn)源层和接地层中的任何返回電(diàn)流之间创建了一个有(yǒu)点高阻抗的返回路径。在電(diàn)源平面和接地平面中的任何返回電(diàn)流之间提供低阻抗返回路径的正常方法是在電(diàn)源/接地平面之间放置一个去耦/旁路電(diàn)容器。当处理(lǐ)更高频率的信号时，通过旁路電(diàn)容器的路径将比電(diàn)源层、信号层 3 和 4 以及最终接地层之间的路径具有(yǒu)更低的阻抗。您使用(yòng)的旁路電(diàn)容器的大小(xiǎo)应设置為(wèi)具有(yǒu)高于電(diàn)路板相关带宽边缘的自谐振频率。

在需要复杂電(diàn)源分(fēn)配或使用(yòng)在不同级别运行的组件的系统中，一种做法是使用(yòng)两个或更多(duō)電(diàn)源层。一个示例是使用(yòng) 5 V 有(yǒu)源组件和 3.3 V MCU/FPGA/ASIC 或类似组件的電(diàn)路板。两个稳压器将用(yòng)于通过每个電(diàn)源平面供電(diàn)，并且这些平面中的每一个都需要参考一个或多(duō)个接地平面。你在你的叠层层布置是用(yòng)于防止开关噪声信号层之间穿过的关键。

当多(duō)个電(diàn)源平面与高速设备一起使用(yòng)时，最好增加层数并為(wèi)每个電(diàn)源平面分(fēn)配自己的接地平面。这在使用(yòng)混合信号板时尤為(wèi)重要，因為(wèi)在不同信号层之间提供屏蔽、電(diàn)源/接地层之间的强耦合以及接地层中的可(kě)靠返回路径变得更加容易。FPGA 制造商(shāng)可(kě)能(néng)会建议对具有(yǒu)不同信号電(diàn)平或混合信号板的相邻電(diàn)源层和接地层使用(yòng)以下布置。

多(duō)个電(diàn)源平面的示例堆叠。

这允许将返回路径直接发送到接地层，而不是允许它通过電(diàn)源层耦合到附近的信号层。这可(kě)以防止信号之间的不必要干扰。

要点：设计您的返回路径

无论您允许信号先耦合回電(diàn)源层，然后再耦合到地层，还是直接耦合回地层，您都需要仔细设计您的返回路径，以防止任何返回信号之间出现不需要的耦合。这里的重要一点是，当電(diàn)路板连接回接地层时，電(diàn)路板中的任何電(diàn)路都是完整的，无论这种耦合是直接耦合、通过去耦/旁路電(diàn)容器还是由于层间電(diàn)容。

虽然您可(kě)以在技术上利用(yòng)電(diàn)源平面作為(wèi)屏蔽层和参考平面（假设信号轨道和電(diàn)源平面之间的電(diàn)位差不是 0 V），但通常很(hěn)难控制返回路径。对于高速/高频板尤其如此。在以低信号電(diàn)平运行的更高级设计中，您可(kě)能(néng)使用(yòng)差分(fēn)对，在这种情况下，返回路径由差分(fēn)驱动提供，即，它与高信号轨迹平行流动。