電(diàn)路板设计组织创建参考计划

2020-11-12

我们在设计中如此仔细地跟踪走線(xiàn)的信号必须返回其源头。為(wèi)此，他(tā)们需要设计良好的参考平面以获得良好的返回路径。这是電(diàn)路板总體(tǐ)设计中的关键阶段，但是，如果在设计返回路径时未加注意，则電(diàn)路板的性能(néng)可(kě)能(néng)会受到影响。我们将研究PCB中的返回路径如何工作，以及在设计中成功创建参考平面的一些技巧。

尽管通常将印刷電(diàn)路板的走線(xiàn)称為(wèi)传导信号，但事实是，走線(xiàn)与信号的返回路径协同工作以传导電(diàn)压和電(diàn)流。这两个成对的导體(tǐ)产生信号的電(diàn)场和磁场，该信号穿过导體(tǐ)之间的空间传播，该空间是分(fēn)隔走線(xiàn)和返回路径的介電(diàn)层。如前所述；正如人们穿过走廊而不是穿过限定走廊的墙壁一样，信号的能(néng)量也要穿过痕迹之间的空间而不是痕迹本身。

信号将使用(yòng)在其自己的频率上可(kě)以找到的最接近和最简单的路径作為(wèi)返回路径。在印刷電(diàn)路板上，最终可(kě)能(néng)是导線(xiàn)，屏蔽，走線(xiàn)或金属平面。无论信号能(néng)够找到的最低阻抗路径如何，它都将用(yòng)作返回路径。当電(diàn)路板以较慢的信号速度运行时，返回信号能(néng)够在更多(duō)地方徘徊，以便在返回路径中找到一条路径。但是，随着電(diàn)路板中信号速度的提高，提供清晰的返回路径变得越来越重要，以便信号具有(yǒu)不间断的环路供電(diàn)流流入。

電(diàn)路板上信号最理(lǐ)想的返回路径是大面积的金属或平面层，该金属层将成為(wèi)参考平面。通常，这将是一个接地平面，并且需要在信号走線(xiàn)的相邻层上，并在它们之间有(yǒu)一层電(diàn)介质。有(yǒu)了明确定义的走線(xiàn)和参考平面，信号的能(néng)量将被包含，并且不会超出平面到达電(diàn)路板堆叠中的下一层。这有(yǒu)助于防止信号能(néng)量干扰该區(qū)域中的其他(tā)信号。但是，如果未正确完成走線(xiàn)和参考平面的配对，则可(kě)能(néng)会导致PCB性能(néng)出现问题。

这样的多(duō)层布線(xiàn)需要精心设计的参考平面，以实现良好的信号返回路径

没有(yǒu)良好的参考平面可(kě)能(néng)发生的问题

正如我们上面提到的，较早的電(diàn)路较慢的信号速度对返回路径的要求并不需要今天的高速電(diàn)路。甲配電(diàn)网络上的那些慢板（PDN）往往多(duō)為(wèi)设计师比的信号的明确返回的便利性而设计的。但是，在当今的高速電(diàn)路中，缺少良好的信号返回路径可(kě)能(néng)会导致電(diàn)路板中产生大量噪声。这种噪声会通过创建错误的信令来破坏電(diàn)路的正确操作。缺少直接返回路径也会在该路径中引入阻抗，并在接地层上产生電(diàn)压降，导致接地反弹。

信号返回将耦合到它们所能(néng)找到的任何位置，如果没有(yǒu)好的参考平面，则该能(néng)量甚至可(kě)能(néng)与其他(tā)迹線(xiàn)耦合。这就是所谓的共模能(néng)量，它会在意料之外的地方产生天線(xiàn)，并可(kě)能(néng)产生额外的噪声。参考平面还旨在包含在轨迹周围生成的信号能(néng)量场。如果没有(yǒu)足够的参考平面靠近走線(xiàn)上的信号，那么这些能(néng)量场可(kě)能(néng)会扩展到電(diàn)路板的其余部分(fēn)，或者扩展到其他(tā)设备上。

如您所见，為(wèi)清晰的信号路径正确设计参考平面非常重要。这里有(yǒu)一些关于如何做到这一点的想法。

PCB的侧视图，显示了成对的布線(xiàn)选项

成功创建参考平面的建议

為(wèi)了设计具有(yǒu)良好信号完整性的印刷電(diàn)路板，需要从電(diàn)路板层的材料和配置开始的许多(duō)工程决策。我们不会研究所有(yǒu)这些细节，而是专注于有(yǒu)效的参考平面的良好PCB设计的一些基础知识：

将路由信号尽可(kě)能(néng)保持在一层上：

传输線(xiàn)成功路由取决于将迹線(xiàn)与参考平面耦合以获得良好的信号返回。最好的方法是将走線(xiàn)布線(xiàn)保持在一层上，并使参考平面紧邻该层。但是，这在实际的PCB设计中并不实用(yòng)，通常您需要更改层以获取所有(yǒu)布線(xiàn)。更改层时，请尝试转到与同一平面相邻的下一层。这样，您的返回路径可(kě)以在同一参考平面上连续不断。但是，如果确实必须在层堆叠中进一步移动走線(xiàn)，则应使用(yòng)通过进行地面传输。

您可(kě)以在上图中看到这一点。红線(xiàn)表示走線(xiàn)中的信号方向，而蓝線(xiàn)表示平面上的返回路径。在左侧，您可(kě)以看到走線(xiàn)的位置向下延伸，穿过多(duō)个层的通孔，并且使用(yòng)传输通孔将两个接地层连接在一起，从而為(wèi)返回路径提供不间断的流动。在右侧，走線(xiàn)通孔一直通到下一个信号层，该信号层允许相邻平面用(yòng)作两个信号层的不间断返回路径。

不要在分(fēn)离平面上布置传输線(xiàn)：

分(fēn)割用(yòng)作参考平面的接地平面将切断正在通过该區(qū)域的任何信号的返回路径。由于信号必须寻找其他(tā)路径才能(néng)返回，因此有(yǒu)可(kě)能(néng)在電(diàn)路板上产生大量噪声。这些信号返回可(kě)能(néng)会跳到其他(tā)信号走線(xiàn)，并在这些線(xiàn)上产生很(hěn)多(duō)共模能(néng)量。您可(kě)以做的最好的事情就是不要分(fēn)割接地层。

但是，如果必须拆分(fēn)地平面，请确保不要在拆分(fēn)上方布線(xiàn)。在许多(duō)情况下，仍然需要在一个点将两个分(fēn)开的接地平面连接在一起。正是在这个位置上，您应该尝试路由任何需要跨越拆分(fēn)的信号。在其上同时进行了電(diàn)源和地線(xiàn)分(fēn)配的平面层几乎无法提供有(yǒu)效的信号返回方式。另一个潜在的问题是缝隙，切口或成簇的通孔，它们可(kě)能(néng)在参考平面中為(wèi)返回路径设置障碍。在下面的图片中，您可(kě)以看到接地平面中的过孔線(xiàn)如何有(yǒu)效地阻塞了该區(qū)域以提供清晰的返回路径。

上面显示的过孔線(xiàn)将有(yǒu)效地阻塞此参考平面上的信号返回路径

模拟和数字部分(fēn)与信号应相互隔离

这些部分(fēn)可(kě)能(néng)会因它们产生的噪声而相互影响，因此应将它们分(fēn)开，并且它们的信号返回不应共享同一参考平面。最好在可(kě)能(néng)的情况下将隔离平面用(yòng)于電(diàn)路的不同區(qū)域。

使跟踪路由越短越好

尽管出于时序原因，某些高速走線(xiàn)确实需要增加長(cháng)度，但通常最好使走線(xiàn)尽可(kě)能(néng)短。这為(wèi)信号提供了最直接的路径，并為(wèi)您提供了清晰的返回路径的最佳机会。迹線(xiàn)越短，出现问题的时间就越少。