PCB层之间的通讯信号

2021-08-20

PCB层之间的通讯信号

第 1 部分(fēn)：ESD 示例

层转换中的信号電(diàn)流

摘要：印刷電(diàn)路板、PCB、信号路径必须经常改变板叠层中的层。在某些情况下，这可(kě)能(néng)会导致问题。ESD 示例用(yòng)于说明更改层会导致问题的条件。

图 1：通过过孔的信号路径

讨论：PCB 中的布線(xiàn)路径通常需要更改层的路径来完成布局。对于四层PCB，这通常意味着从電(diàn)路板的顶层更改為(wèi)底层，中间的两个层是電(diàn)源和地。四层板尤其成问题，因為(wèi)与六层或更多(duō)层板相比，電(diàn)源层和接地层之间的间隔通常相对较大，大约為(wèi) 30 到 40 密耳。

图 1 显示了信号路径从四层板的顶层变為(wèi)底层的情况。而在顶层和底层，信号電(diàn)流与其在附近接地或電(diàn)源层中的镜像返回電(diàn)流相匹配。随着信号電(diàn)流从上到下改变层，可(kě)能(néng)会发生影响 ESD 性能(néng)的损害。

所有(yǒu)信号形成一个循环，从源到加载，再回到源。通常是路径的“返回”部分(fēn)让我们陷入困境，正如我们将在这个特定案例中看到的那样。信号在底面底部的返回電(diàn)流跟随信号到达底面顶部，但它必须通过面间阻抗（图 1 中的 Z）才能(néng)到达顶面的底部，从那里它可(kě)以跟随信号到顶平面的顶部。

图 2：具有(yǒu)单层和两层路径的测试板

考虑阻抗 Z 的一种方法是将两个平面视為(wèi)从信号通孔展开的二维传输線(xiàn)。旁路電(diàn)容形成低阻抗“短路”（尽管在足够高的频率下短路并不是那么好，因為(wèi)它们的電(diàn)感变得很(hěn)重要）并且電(diàn)路板的边缘通常是未端接的“开路”。这些和其他(tā)特征会引起反射，导致平面间阻抗随频率显着变化，并且对于平面间距约為(wèi) 30 密耳的四层板，在某些频率下可(kě)以达到几欧姆。墨菲定律表明，该阻抗的一个峰值将位于时钟频率的三次谐波处！

為(wèi)了评估这种效果，我构建了如图 2 所示的测试板。每条信号走線(xiàn)長(cháng)约 30 厘米。走線(xiàn)由一根 100 欧姆双绞電(diàn)话線(xiàn)导體(tǐ)组成。当贴在地平面上时，它形成了一个 50 欧姆的路径。该板為(wèi)双覆铜板，整个组件模拟四层 PWB。两个铜平面相距约 30 密耳，并通过左侧的 SMA 连接器和右侧的负载電(diàn)阻器（四个位置）短接在一起。一条路径停留在一侧，而另一条路径穿透電(diàn)路板并在另一侧运行约 10 厘米。

图 3

具有(yǒu)单层和两层路径的测试板

電(diàn)路板经受 3 kV ESD 接触放電(diàn)，从 ESD 模拟器到一条 1 米電(diàn)缆的末端，该電(diàn)缆固定在图 2 所示的平面靠近右边缘的中间，而左边缘的中间连接到地从板上排出電(diàn)荷。图 3 显示了图 2 顶部路径在 SMA 连接器处产生的明显信号，该信号位于電(diàn)路板的同一侧。该信号只有(yǒu)大约 400 mV。

ESD 产生的 EMI 到一层路径

图 4 显示了图 2 下方路径的 SMA 连接器处的视在信号，该信号从電(diàn)路板的顶部到底部再向后改变层。在这种情况下，SMA 连接器处的峰值信号超过 2 伏峰值，并且在组件的固有(yǒu)频率下振荡。对于大多(duō)数逻辑電(diàn)路来说，这个级别肯定是一个问题。较低路径中增加的噪声是由于 ESD 在从電(diàn)路板一侧到另一侧的每次转换时导致跨板阻抗 Z 上的電(diàn)压降。该電(diàn)压出现在信号/返回回路中，因此出现在 SMA 连接器上。

图 4：SMA 连接器处的信号

ESD 产生的 EMI 到两层路径

对于板间距离遠(yuǎn)小(xiǎo)于 30 密耳的情况，板间阻抗通常也会更低，图 4 中所示的效果将更小(xiǎo)，问题也更少。如果关键信号从靠近现有(yǒu)（低成本）旁路電(diàn)容器的電(diàn)路板顶部过渡到底部，则对于四层電(diàn)路板的影响也可(kě)以最小(xiǎo)化。

总结： PWB 各层之间的转换可(kě)能(néng)会给信号路径带来显着的损害。電(diàn)源和地平面之间的间距越大，影响越大。“四层”PWB 响应 ESD 的示例显示了可(kě)能(néng)发生的问题之一。 

第 2 部分(fēn)：排放示例

两条路径的相对排放量

图 5：排放

摘要：印刷電(diàn)路板、PCB、信号路径必须经常改变板叠层中的层。在某些情况下，这可(kě)能(néng)会导致问题。排放示例用(yòng)于说明更改图层可(kě)能(néng)导致问题的条件。

讨论：PCB 中的布線(xiàn)路径通常需要更改层的路径来完成布局。对于四层PCB，这通常意味着从電(diàn)路板的顶层更改為(wèi)底层，中间的两个层是電(diàn)源和地。四层板尤其成问题，因為(wèi)与六层或更多(duō)层板相比，電(diàn)源层和接地层之间的间隔通常相对较大，大约為(wèi) 30 到 40 密耳。

图 5 描述了图 2 所示電(diàn)路板的发射。電(diàn)路板上的路径長(cháng)约 30 厘米。一个留在板的同一侧，而另一个穿过到另一侧约 10 厘米。两个金属平面相距约 30 密耳，并通过 SMA 连接器和 47 欧姆负载電(diàn)阻短接在一起。这些路径由一根由 24 号双绞線(xiàn)電(diàn)话線(xiàn)制成的绝缘导體(tǐ)制成。由于原始電(diàn)缆的差分(fēn)阻抗為(wèi) 100 欧姆，因此绑在铜平面上的一根電(diàn)線(xiàn)将具有(yǒu)相对于金属平面的 50 欧姆特征阻抗。

图 1 的数据是通过使用(yòng)频谱分(fēn)析仪的跟踪发生器激励一条路径并将发射测量天線(xiàn)连接到频谱分(fēn)析仪的输入端而生成的。该天線(xiàn)具有(yǒu)高达约 3 GHz 的合理(lǐ)天線(xiàn)系数。图 6 显示了位于 EMC 室中的纸板箱上的電(diàn)路板。左侧的同轴電(diàn)缆来自跟踪发生器，右侧的一米白線(xiàn)正好挂在通过鳄鱼夹连接到其中一个板平面的盒子上。它被包括在内，以防飞机上的信号電(diàn)压可(kě)能(néng)导致连接的電(diàn)缆辐射。同轴電(diàn)缆屏蔽层和添加的電(diàn)線(xiàn)形成某种偶极子，尽管是不对称的。

图 6

图 5 是通过叠加图 2 所示两条路径的发射数据生成的。这些图涵盖了从近直流到 2.9 GHz 的频率范围。图的绝对大小(xiǎo)并不重要。这取决于跟踪发生器的输出功率，但两个图之间的比较是惊人的。下方的轨迹是由留在電(diàn)路板一侧的路径产生的，而上方的轨迹，显示出明显的峰值，是在穿过電(diàn)路板的路径通電(diàn)时产生的。请注意，247 MHz 处的第一个峰值比位于電(diàn)路板同一侧的路径在该频率处的发射高出近 30 dB。

图 1 显示了信号通过電(diàn)路板时导線(xiàn)和平面中的信号電(diàn)流。当信号在平面之间通过时，信号返回路径中会出现复杂的平面间阻抗 Z。由信号電(diàn)流以及其他(tā)效应在该阻抗上产生的電(diàn)压会导致图 5 中所示的发射。

对于板间距离遠(yuǎn)小(xiǎo)于 30 密耳的情况，板间阻抗通常也会更低，图 5 中所示的效果将更小(xiǎo)，问题也更少。如果关键信号从電(diàn)路板的顶层过渡到现有(yǒu)（低成本）旁路電(diàn)容器附近的底层，则对于四层電(diàn)路板的影响也可(kě)以最小(xiǎo)化。

总结：PCB 各层之间的转换会给信号路径带来显着的损害。電(diàn)源和地平面之间的间距越大，影响越大。“四层”PCB 排放概况的示例显示了可(kě)能(néng)发生的问题之一。

图 7：使用(yòng) Agilent N9340B 频谱分(fēn)析仪的测试设置

第 3 部分(fēn)：层间電(diàn)压

摘要：四层 PCB 被用(yòng)于广泛的应用(yòng)中。然而，通常需要在顶部和底部信号层上布線(xiàn)一些信号路径，以达到所需的布線(xiàn)密度。使用(yòng)具有(yǒu)接地层和電(diàn)源层的四层 PCB 模型，所提供的数据表明，除非遵守简单的设计规则，否则在两个信号层上路由信号可(kě)能(néng)会导致平面之间产生显着的信号電(diàn)压。

讨论：图 7 显示了用(yòng)于生成数据的测试设置，由 Agilent N9340B 频谱分(fēn)析仪和测试板组成。测试板两面都包铜，厚约 50 密耳。在将 BNC 连接器添加到電(diàn)路板中间之前，電(diàn)路板底部的特写图如图 2 所示。两条大约 9 英寸（~23 厘米）長(cháng)的路径从 SMA 连接器延伸到 51 欧姆负载電(diàn)阻器。这些路径是由 100 欧姆双绞電(diàn)话線(xiàn)的单根绝缘線(xiàn)制成的，它们被绑在下面的平面上，从而形成大约 50 欧姆的传输線(xiàn)。一条路径留在板的底部，而另一条路径在板的另一侧运行大约其長(cháng)度的 1/3。

图 8：测试板的顶部

两个平面通过 SMA 连接器和负载電(diàn)阻短接在一起。这模拟了四层 PCB 的電(diàn)源层和接地层之间的四个旁路電(diàn)容器。大多(duō)数四层 PCB 有(yǒu)四个以上的旁路電(diàn)容器，但我想展示一个只有(yǒu)四个的极限情况。与大多(duō)数四层 PCB 相比，结果是最坏的情况。但是，我见过需要额外旁路電(diàn)容器的 PCB。此外，没有(yǒu)有(yǒu)源元件（例如背板）的无源四层 PCB 有(yǒu)时几乎没有(yǒu)旁路電(diàn)容器。

图 8 显示了测试板顶部的特写。BNC 板安装连接器已焊接到顶部平面（并用(yòng)铜带包围，以确保从平面到连接器的 360 度接触良好）。连接器的中心引脚焊接到底部平面，因此 BNC 连接器上的信号是平面之间的信号電(diàn)压。该连接器连接到频谱分(fēn)析仪输入端，而分(fēn)析仪的跟踪发生器输出连接到一个或另一个 BNC 连接器，電(diàn)路板底部的信号路径连接到该连接器（图 3 的右侧）。

图 9 和图 10 显示了当跟踪发生器分(fēn)别连接到位于電(diàn)路板一侧的路径和在两侧布線(xiàn)的路径时产生的频谱分(fēn)析仪屏幕。跟踪发生器设置為(wèi)其最大電(diàn)平 107 dBuV（0 dBm，约 224 mV）。请注意，对于在两侧布線(xiàn)的路径，平面之间的電(diàn)压要大得多(duō)，在大多(duō)数频率下高出数十 dB。在大约 240 MHz 的第一个峰值处，它高出 45 到 50 dB。

图 9：频谱分(fēn)析仪结果

鉴于施加的信号约為(wèi) 107 dBuV（进入 50 欧姆负载）并且平面之间的峰值读数在 240 MHz 时约為(wèi) 93 dBuV，平面之间的信号仅比施加的信号小(xiǎo) 14 dB 或约 1/5施加的信号。这意味着平面之间的阻抗必须至少在 240 MHz 的中心 BNC 连接器區(qū)域内為(wèi)几欧姆。请记住，这些平面在距离“过孔”约 3 英寸（1.2 厘米）处短路在一起，信号在電(diàn)路板顶部和底部之间通过。

图 10：频谱分(fēn)析仪结果

与大多(duō)数四层 PCB（只有(yǒu)四个“旁路電(diàn)容”）相比，这是一个限制情况，但对于无源背板和连接板来说可(kě)能(néng)是一个重大问题，因為(wèi)如果有(yǒu)電(diàn)容器的话，它们的间距可(kě)能(néng)很(hěn)大。前段时间我回顾了一个无源板的布局，它在系统的两个部分(fēn)之间连接 SCSI 信号。SCSI 路径在四层板的顶层进入，并在另一个连接器的底层退出。我让做布局的人在 SCSI 信号的过孔區(qū)域添加旁路電(diàn)容器，因為(wèi)它们从顶层传递到底层，以防止出现上述效果。

鉴于上述数据，可(kě)以提出四层板的设计规则，其中关键信号（时钟、复位或类似信号）必须从四层板的顶部信号层传递到底部信号层。此信号的过孔应位于现有(yǒu)或添加的旁路電(diàn)容器附近。

总结：四层 PCB 模型的使用(yòng)表明，在某些情况下，四层板的平面之间会产生显着的信号電(diàn)压。由此产生的设计规则可(kě)能(néng)是在四层 PCB 上的旁路電(diàn)容器附近定位重要信号的过孔。

第 4 部分(fēn)：板间電(diàn)压（续）

摘要：四层 PCB 被用(yòng)于广泛的应用(yòng)中。然而，通常需要在顶部和底部信号层上布線(xiàn)一些信号路径，以达到所需的布線(xiàn)密度。使用(yòng)带有(yǒu)接地层和電(diàn)源层的四层 PCB 模型，在时域中显示的数据表明，除非遵守简单的设计规则，否则两个信号层上的布線(xiàn)信号会导致平面之间产生显着的信号電(diàn)压。

图 11：测试设置

讨论：图 11 显示了用(yòng)于生成数据的测试设置，由 Fischer Custom Communications TG-EFT 高压脉冲发生器、Agilent Infinium 54845a 示波器和测试板组成。测试板两面都包铜，厚约 50 密耳。在将 BNC 连接器添加到電(diàn)路板中间之前，電(diàn)路板底部的特写图如图 2 所示。两条大约 9 英寸（~23 厘米）長(cháng)的路径从 SMA 连接器延伸到 51 欧姆负载電(diàn)阻器。这些路径是由 100 欧姆双绞電(diàn)话線(xiàn)的单独绝缘電(diàn)線(xiàn)制成，它们绑在下面的平面上，从而形成大约 50 欧姆的传输線(xiàn)。一条路径留在電(diàn)路板的底部，而另一条路径在電(diàn)路板的顶部延伸其長(cháng)度的大约 1/3（如图 1 所示）。

两个平面通过 SMA 连接器和负载電(diàn)阻短接在一起。这模拟了四层 PCB 的電(diàn)源层和接地层之间的四个旁路電(diàn)容器。大多(duō)数四层 PCB 有(yǒu)四个以上的旁路電(diàn)容器，但我想展示一个只有(yǒu)四个的极限情况。与大多(duō)数四层 PCB 相比，结果是最坏的情况。但是，我见过需要额外旁路電(diàn)容器的 PCB。此外，没有(yǒu)有(yǒu)源元件（例如背板）的无源四层 PCB 有(yǒu)时几乎没有(yǒu)旁路電(diàn)容器。

图 8 显示了测试板顶部的特写。BNC 板安装连接器已焊接到顶部平面（并用(yòng)铜带包围，以确保从平面到连接器的 360 度接触良好）。连接器的中心引脚焊接到底部平面，因此 BNC 连接器上的信号是平面之间的信号電(diàn)压。此连接器连接到示波器输入，而 TG-EFT 脉冲发生器输出连接到一个或另一个 SMA 连接器，電(diàn)路板底部的信号路径连接到该连接器（图 8 的右侧）。SMA 转 BNC 适配器用(yòng)于将 BNC 電(diàn)缆连接到示波器。

TG-EFT 设置為(wèi)产生 100 伏脉冲（上升时间為(wèi) 2 ns，下降时间约為(wèi) 100 ns）。由于在 TG-EFT 的输出端使用(yòng)了 50 欧姆的串联终端，并且信号路径的其余部分(fēn)也是 50 欧姆，因此此设置会在電(diàn)路板上的信号路径中产生一个大约 1 安培的電(diàn)流脉冲。

图 12：范围图

图 12 和 13 显示了当 TG-EFT 发生器分(fēn)别连接到位于電(diàn)路板一侧的路径和在两侧布線(xiàn)的路径时产生的示波器图。对于位于電(diàn)路板同一侧的路径，图 12 中的曲線(xiàn)显示了大约 2 mV 的峰值幅度，这是一个非常小(xiǎo)的值。图 13 中由電(diàn)路板顶部和底部之间的路径产生的图的峰值幅度约為(wèi) 270 mV，这是一个更大的信号。请注意，图 13 中的振铃频率约為(wèi) 240 MHz，与 2010 年 6 月的技术花(huā)絮中在该電(diàn)路板上的频域中测得的谐振频率相同。图 12 中的主振铃频率要慢得多(duō)，而且幅度如此之低，它也可(kě)能(néng)出现在图 13 中，但太小(xiǎo)而无法在 100 mV/div 垂直刻度上看到。

在许多(duō)情况下，可(kě)以将 1 安培或更多(duō)電(diàn)流倾倒到 PCB 的電(diàn)源接地结构中。例如，从背板的顶层到底层变化的宽总線(xiàn)，如果位在同一方向上同时变化，就会在平面中产生大量電(diàn)流。现代总線(xiàn)也可(kě)能(néng)比用(yòng)于此实验的電(diàn)流的 2 ns 上升时间更快，这可(kě)能(néng)会使问题变得更糟。

作為(wèi)对我的一位客户的测试，我曾经将大约 90 安培的電(diàn)流从 EFT 发生器的输出以 5 ns 的上升时间倾倒到 PCB 的 3.3 伏電(diàn)源层（相对于接地层）。没有(yǒu)观察到電(diàn)路板的操作错误，这是一个非常好的设计，比我们在这里使用(yòng)的测试板好两个数量级或更多(duō)。

图 13：范围图

与大多(duō)数四层 PCB（只有(yǒu)四个“旁路電(diàn)容”）相比，这是一个限制情况，但对于无源背板和连接板来说，所描述的影响可(kě)能(néng)代表一个重大问题，因為(wèi)这些背板和连接板可(kě)能(néng)有(yǒu)很(hěn)宽的電(diàn)容器，如果有(yǒu)的话。前段时间我回顾了在系统的两个部分(fēn)之间连接 SCSI 信号的无源四层板的布局。SCSI 路径在顶层进入并在底层退出到另一个连接器。我让做布局的人在 SCSI 信号的过孔區(qū)域添加旁路電(diàn)容器，因為(wèi)它们从顶层传递到底层，以防止出现上述效果。

鉴于上述数据，可(kě)以為(wèi)四层板提出一个设计规则，其中关键或噪声信号（总線(xiàn)、时钟、复位或类似信号）必须从四层板的顶部信号层传递到底部信号层：这些信号应位于现有(yǒu)或添加的旁路電(diàn)容器附近。

总结：四层 PCB 模型的使用(yòng)表明，当信号在顶层和底层之间布線(xiàn)时，在某些情况下，四层板的平面之间会产生显着的信号電(diàn)压。由此产生的设计规则可(kě)能(néng)是在四层 PCB 上的旁路電(diàn)容器附近定位噪声或重要信号的通孔。