遵循多(duō)层接地回路以防止 EMI

2021-06-16

遵循多(duō)层接地回路以防止 EMI

确保这些走線(xiàn)都没有(yǒu)穿过地平面间隙

在复杂的多(duō)层 PCB 中，沿着返回地面的路径很(hěn)快就会变得复杂。当您的 PCB 层数较少时（例如，具有(yǒu)两个平面层的 4 层板），确定返回路径并有(yǒu)意设计以防止 EMI 变得相当容易。当您使用(yòng)更高的层数时，情况会变得更加复杂。即使导體(tǐ)未接地，多(duō)个平面层和导體(tǐ)也可(kě)以形成接地回路。这有(yǒu)助于區(qū)分(fēn)地平面和参考平面，因為(wèi)两者都可(kě)以构成 PCB 中返回路径的一部分(fēn)。

接地返回路径与参考平面

参考平面是信号传输路径的固有(yǒu)部分(fēn)。它们是有(yǒu)意放置在您的電(diàn)路板上，例如信号走線(xiàn)的接地平面，还是靠近信号走線(xiàn)的无意参考平面，如果您不仔细跟踪整个電(diàn)路板上信号走線(xiàn)的位置，可(kě)能(néng)很(hěn)难确定. 信号的接地回路实际上可(kě)能(néng)不会流经地面；它可(kě)以穿过机箱、電(diàn)源层或其他(tā)一些接地导體(tǐ)。

无论返回路径在電(diàn)路板上的何处运行，它总是会尝试返回電(diàn)路板上的低電(diàn)位点，即返回電(diàn)源的接地返回点。无论返回信号是在机箱、電(diàn)源平面还是其他(tā)导體(tǐ)中感应出的，由于接地导體(tǐ)和保持较高電(diàn)位的导體(tǐ)之间存在電(diàn)位差，它都会被拉回地面。

除了作為(wèi)信号传播时的振铃特性之外，信号的返回路径还决定了以下行為(wèi)：

EMI 敏感性。返回路径产生的环路電(diàn)感决定了電(diàn)路对 EMI的敏感性。具有(yǒu)大電(diàn)流回路的電(diàn)路将具有(yǒu)更大的寄生電(diàn)感，使其更容易受到辐射 EMI 的影响。环路越紧，环路電(diàn)感越低。这就是為(wèi)什么高速信号走線(xiàn)应靠近相邻层上的参考平面布線(xiàn)的原因之一。

混合信号板中的干扰。信号承载导體(tǐ)与其最近的参考导體(tǐ)之间的寄生電(diàn)容，以及電(diàn)路产生的环路，决定了开关信号所见的電(diàn)抗。由于電(diàn)抗是信号中频率成分(fēn)的函数，因此信号返回路径在中等频率下变得更加难以预测。阅读本指南以了解有(yǒu)关為(wèi)单个平面层设计混合信号返回路径的更多(duō)信息。

共模噪声路径。共模噪声一旦在给定的走線(xiàn)中感应出来，就会尝试沿着与信号返回地面相同的路径。共模噪声所遵循的确切接地回路取决于其频率成分(fēn)，因為(wèi)这决定了信号所见的電(diàn)抗。

当我们在具有(yǒu)多(duō)个平面层的多(duō)层堆叠中布線(xiàn)时，情况变得更加复杂，因為(wèi)参考导體(tǐ)可(kě)以沿信号路径变化。决定初始参考平面的主要量是信号走線(xiàn)和附近导體(tǐ)之间的寄生電(diàn)容以及電(diàn)路的電(diàn)感。请注意，由于電(diàn)感的存在，寄生阻抗不会局限于相邻导體(tǐ)，这会在多(duō)层板中形成复杂的接地回路。

你能(néng)追踪这些走線(xiàn)的接地回路吗？

回到坚实的地面返回路径

如果您已经阅读了我上面写的内容，并且仍然想知道复杂 PCB 中的返回電(diàn)流会发生什么，您可(kě)能(néng)会问自己：当電(diàn)流耦合到接地层或其他(tā)接地导體(tǐ)时会发生什么? 首先為(wèi)什么会发生这种情况？两者都是有(yǒu)效的问题。

相邻导體(tǐ)之间的寄生

让我们先解决第二个问题，因為(wèi)它有(yǒu)助于解释第一个问题的答(dá)案。引入返回路径的位置取决于信号走線(xiàn)和相邻导體(tǐ)之间的電(diàn)容，以及由信号走線(xiàn)和相关导體(tǐ)形成的電(diàn)路的自感。这些量共同决定了信号所见的阻抗。

阻抗最低的路径（请注意，该路径可(kě)以指向通过基板或通过空气！）是返回電(diàn)流遵循的方向。恰好在信号迹線(xiàn)和候选导體(tǐ)之间呈现最低阻抗（即，最强耦合）的路径恰好是最近的导體(tǐ)，因為(wèi)该路径通常提供最大的電(diàn)容和最小(xiǎo)的電(diàn)感。

電(diàn)源平面作為(wèi)接地返回路径

这就解释了為(wèi)什么如果電(diàn)源平面比最近的接地平面更靠近给定的信号走線(xiàn)，它可(kě)以充当参考导體(tǐ)。電(diàn)源平面和信号走線(xiàn)之间的電(diàn)容/電(diàn)感阻抗可(kě)能(néng)比走線(xiàn)与其最近的接地平面之间的阻抗值大得多(duō)。我们在此处讲述的故事有(yǒu)效地描述了信号在穿过多(duō)层 PCB 中的多(duō)个层时如何改变参考平面。

信号穿过多(duō)层 PCB 中的電(diàn)源层的示例返回路径。

现在问第三个问题：耦合到電(diàn)源层的返回信号如何返回到接地的返回路径？電(diàn)源层和接地层将有(yǒu)一些层间電(diàn)容，允许返回電(diàn)流耦合回接地层。如果旁路電(diàn)容器连接在電(diàn)源端口和接地层之间，它们还会為(wèi)電(diàn)源层中感应的返回信号提供一些容性和感性阻抗。

精明的设计人员应该意识到，一般情况下，您不应在電(diàn)源平面上布線(xiàn)，因為(wèi)很(hěn)难控制返回路径，尤其是在高速/高频板中。您应该始终在设计電(diàn)路板时考虑到返回路径，以控制串扰，尤其是在混合信号板中。