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PCB設計大講堂:多層電路板之間返回電流與通孔的關系分析

time : 2019-08-16 09:14       作者:凡億pcb

在多層PCB板設計中,由于不止一個地平面,我們一定要仔細考慮返回地電流從哪里回流問題。
圖一舉例說明了返回電流流向的基本原則:高帶返回信號電流沿著最小的電感路徑前進。
高帶返回信號電流沿著最小的電感路徑前進
如果我們設想圖一中的地平面多于一個,對于哪個地平面承載返回信號電源,就會有一個選擇問題。這個難題的解決辦法是:返回信號電流在最靠近信號線的地平面上,直接沿著信號走線下面的一條路徑。
仍然參考圖一,讓門電路A的地線引腳穿透所有的地平面,與每個地平面相連。對電阻B做同樣的接地。如圖所示,距離信號走線最近的地平面承載了所有的返回信號電流。
現在高速信號走線路徑,選擇兩個內層地之間進行走線。現在兩個內層地分擔返回電流,大部分返回電流流經最靠近的地層。
因為門電路A和電阻B與每個地平面都有連接,返回信號電流可以很容易地流到內層、對地層進行高速后的路徑,其電感與最初路徑的電感相近,因為它們有相似的拓撲。
接下來,我們將找出電感和電磁輻射之間的聯系。我們知道,電感相等時兩條路徑產生的總磁通量也相等。因此可以得出結論,兩種結構的電磁輻射將是相等的。
這個聯系的一個有趣結果是,內層走線的輻射小于或不大于外層走線的輻射。對于造近板子邊沿的走線,這是非常正確的。由于地平面平行于磁通量產生的軸線,因此幾乎沒有磁性屏蔽。
現在,讓我們給這個基本電路進行一些較差的修改。從A到B的走線,一半走線沿著頂層。然后通過一個通孔進到內層。從兩個地平面之間的內層走完到B的線路。返回地電流從哪里流呢?
在信號從一層跳到另一層的這個點,返回信號電流沒有跳躍的路徑!除了位置A和B。我們沒有提供地平面之間的連接、因此返回地電流的路徑必須不同于緊貼著信號走線的路徑,其中肯定比最初的路徑包括了更多的電感,我們發現一個規律,即無限制地使用通孔會產生額外的電磁干擾。不僅產生了更多輻射,而且由于改變了返回信號電流預期的路徑,還將產生更多的串擾。
 
應該記住,對于返回信號電流的平面跳躍問題,有許多解決辦法,這里按其效果遞減依次列出。
1、合理安排板子,使高速走線的返回電流不在平面之間跳躍。這可以通過限制每條走線從一開始就保持在同一層上來實現。
2、限制走線,使它一開始就保持在離地平面最近的一面上。這條規則允許使用正常的水平和垂直走線層對的方法。它的效果幾乎和第1種方法一樣。
3、在每個信號通孔旁邊提供接地通孔,這樣做的目的很明確,就是為了讓返回電流在平面之間跳躍。
4、確保到處都有許多接地通孔。無論一個信號通孔在哪里,它的返回電流將不用轉移很遠去找一個地方躍層。
不要使用保護走線提供一條鄰近的返回電流路徑。這種思路從理論上講不錯,但在實踐中沒有效果。首先,除非距離信號線非常近,否則保護走線不起任何作用。
其次,一旦保護走線被布得足夠接近,可以作為一條有效的地返回路徑,其距離已經足夠破壞走線的阻抗了。
第三個原因是,在沒有其他改變情況下,為了提供足夠低的阻抗,保護走線一定要非常、非常寬。
在指定了使用一個完整地平面后,保護走線除了引起麻煩之外沒有任何用處。