高速 PCB 设计中切勿跨越接地层间隙

高速 PCB 设计中切勿跨越接地层间隙

确保这些线不会穿过地面间隙

我经常浏览电子产品和PCB论坛，看到我一次又一次地问同样的问题：为什么不应该在地平面的裂缝上布线？ 从制造商到刚刚涉足高速PCB设计的专业设计师，每个人都会问这个问题。 对于专业的信号完整性工程师来说，答案应该是显而易见的。

无论您是长期的 PCB 布局工程师还是临时设计师，了解这个问题的答案都会有所帮助。 答案总是被框定为总是/从未陈述过。 我通常不喜欢对 PCB 设计问题给出绝对答案，但在这种情况下，答案很明确：永远不要将信号路由到接地层上的间隙。 让我们仔细看看为什么我们不应该在地平面的间隙上布线。

离地间隙：低速和高速设计

要回答这个问题，需要考虑信号在直流、低速和高速下的表现。 这是因为每种类型的信号都会在参考平面中生成不同的返回路径。 信号所遵循的返回路径将对电路板中产生的 EMI 以及特定电路对 EMI 的敏感度产生一些重要影响。

如果您了解 PCB 中的返回电流是如何形成的，就很容易理解它如何影响 EMI 和信号完整性。 这就是为什么它很重要——它与接地平面间隙上的布线有关。 电路板中的返回电流形成的电路决定了两个重要的行为：

EMI 灵敏度。 电路中电源和返回电流产生的环路决定了电路板对EMI的敏感度。 具有大电流环路的电路将具有较大的寄生电感，使其更容易受到辐射EMI的影响。

开关信号响起。 当信号在电平之间切换时，电路中的寄生电感决定电路中瞬态响应的阻尼水平。 当与电路中的寄生电容器一起使用时，这两个量决定瞬态响应的固有频率和阻尼振荡频率。

让我们详细看看直流、低速和高速信号：

直流电压/电流

当电路板采用直流电源工作时，信号走线正下方不会产生回流； 它将沿着一条直线回到补给返回点。 这意味着您基本上无法控制返回路径，并且由于寄生电感较大，电路板可能容易受到 EMI 的影响。 有些人可能认为，因为电源没有切换，所以不会出现瞬态振荡，所以微带线是否穿过地平面间隙并不重要。 虽然没有振荡，但EMI敏感度问题仍然存在。 应尽量保持直流电路的电感尽可能低。 减少电路电感的最佳方法是避免通过接地层间隙布线。

低速信号

就像直流信号一样，返回路径决定了电路的环路电感，从而决定了瞬态响应中的 EMI 灵敏度和阻尼。 如果环路电感较大，则阻尼率会较低。 与直流信号的情况一样，通过接地层间隙布线会增加环路电感，从而影响信号完整性、电源完整性和 EMI。

不幸的是，低速信号已成为历史，每个使用 TTL 和更快逻辑的电路板都将表现为高速电路。 对于低速信号（通常为 10 ns 上升时间或更慢），特定电路中的振铃幅度通常低到不易被注意到。 因此，只要信号不穿过接地层间隙，环路电感通常就足够低，以防止强烈的振铃、EMI 敏感性和相关的电源完整性问题。

高速信号

如果我使用专为低速运行设计的电路板并以高速信号运行它，则对于给定的电路环路电感，振铃幅度将会更大。 同样，这意味着电路板中的环路电感需要保持尽可能小。 目标是提供尽可能多的阻尼，以减少给定互连中的振铃幅度。 同样，通过接地层间隙布线将避免增加环路电感。 另外，接地平面应放置在承载高速电路的信号层下方，以保证整个互连中的环路电感尽可能低。

通过接地层间隙路由的信号返回路径示例。

查看接地层间隙的另一种方法是阻抗不连续性。 如果信号通过接地层间隙路由，则间隙上方区域的阻抗将大于互连其余部分的阻抗。 除了上述加剧的振铃问题外，这还会造成信号反射。

了解有关接地层间隙上的高速信号传输的更多信息。

上述关于数字信号的所有内容同样适用于模拟信号。 上述瞬态信号问题与电源完整性问题有关，特别是在使用高栅极/引脚数组件的电路板中。 层堆栈应专门设计为支持比 TTL 组件更快的速度（见下文）。

电源轨和接地层之间的间隙

请注意，我们从信号完整性的角度研究了这一点，但同样的想法也适用于电源完整性。 正如微带布线不应穿过接地平面间隙一样，您还应该避免在接地平面间隙上方的表面层上布线电源轨。 如果为数字 IC 提供直流电源，当 IC 在 ON 和 OFF 状态之间切换时，它将从电源吸取一些电流。 这将在电源轨上产生电压纹波。

电源电压的这种特殊瞬态响应的特点是阻尼振荡。 其幅度与 PDN 的阻抗成正比，与 PDN 的阻尼水平成反比。 正如阻尼与标准 PCB 互连中的环路电感成反比一样，这也适用于 PDN 中的瞬态响应。 这意味着，如果环路电感保持较小，则可以抑制电源轨上的瞬态响应。 做到这一点的最佳方法是将接地层放置在与电源层直接相邻的层上，并避免在任何接地层间隙上布线任何电源轨。

如果您使用的是两层板并且没有空间放置接地层，则应仔细规划板中的返回路径以保持较小的环路电感。 一种选择是在顶层和底层使用网格排列的接地区域，并通过过孔将它们连接起来。 然而，如果您正在处理高速信号（TTL 或更快），您会发现由于 PDN 中的电容不足，电源轨上会出现较大的电压波动。 这就是为什么高速电路板中电源层和接地层放在相邻层，而接地层则放在相邻层的主要原因。