高速PCB中的信號回流及跨分割
這里簡單構(gòu)造了一個“場景”,結(jié)合下圖介紹一下地回流和電源回流以及一些跨分割問題。為方便作圖,把層間距放大。
IC1為信號輸出端,IC2為信號輸入端(為簡化PCB模型,假定接收端內(nèi)含下接電阻)第三層為地層。IC1和IC2的地均來自于第三層地層面。頂層右上角為一塊電源平面,接到電源正極。C1和C2分別為IC1、IC2的退耦電容。圖上所示的芯片的電源和地腳均為發(fā)、收信號端的供電電源和地。
在低頻時,如果S1端輸出高電平,整個電流回路是電源經(jīng)導(dǎo)線接到VCC電源平面,然后經(jīng)橙色路徑進入IC1,然后從S1端出來,沿第二層的導(dǎo)線經(jīng)R1端進入IC2,然后進入GND層,經(jīng)紅色路徑回到電源負極。
但在高頻時,PCB所呈現(xiàn)的分布特性會對信號產(chǎn)生很大影響。我們常說的地回流就是高頻信號中經(jīng)常要遇到的一個問題。當(dāng)S1到R1的信號線中有增大的電流時,外部的磁場變化很快,會使附近的導(dǎo)體感應(yīng)出一個反向的電流。如果第三層的地平面是完整的地平面的話,那么會在地平面上會有一個藍色虛線標(biāo)示的電流;如果TOP層有一個完整的電源平面的話,也會在頂層有一個沿藍色虛線的回流。此時信號回路有最小的電流回路,向外輻射的能量最小,耦合外部信號的能力也最小。(高頻時的趨膚效應(yīng)也是向外輻射能量最小,原理是一樣的。)
由于高頻信號電平和電流變化都很快,但是變化周期短,需要的能量并不是很大,所以芯片是和離芯片最近的退耦電容取電的。當(dāng)C1足夠大,而且反應(yīng)又足夠快 (有很低的ESR值,通常用瓷片電容。瓷片電容的ESR遠低于鉭電容。),位于頂層的橙色路徑和位于GND層的紅色路徑可以看成是不存在的(存在一個和整板供電對應(yīng)的電流,但不是與圖示信號對應(yīng)的電流)。
因此,按圖中構(gòu)造的環(huán)境,電流的整個通路是:由C1的正極->IC1的VCC->S1->L2信號線->R1->IC2的 GND->過孔->GND層的黃色路徑->過孔->電容負極??梢钥吹?,電流的垂直方向有一個棕色的等效電流,中間會感應(yīng)出磁場,同時,這個環(huán)面也能很容易的耦合到外來的干擾。如果和圖中信號為一條時鐘信號,并行有一組8bit的數(shù)據(jù)線,由同一芯片的同一電源供電,電流回流途徑是相同的。如果數(shù)據(jù)線電平同時同向翻轉(zhuǎn)的話,會使時鐘上感應(yīng)一個很大的反向電流,如果時鐘線沒有良好的匹配的話,這個串?dāng)_足以對時鐘信號產(chǎn)生致命影響。這種串?dāng)_的強度不是和干擾源的高低電平的絕對值成正比,而是和干擾源的電流變化速率成正比,對于一個純阻性的負載來說,串?dāng)_電流正比于dI/dt=dV /(T10%-90%*R)。式中的dI/dt (電流變化速率)、dV(干擾源的擺幅)和R(干擾源負載)都是指干擾源的參數(shù)(如果是容性負載的話,dI/dt是與T10%-90%的平方成反比的。)。從式中可以看出,低速的信號未必比高速信號的串?dāng)_小。也就是我們說的:1kHZ的信號未必是低速信號,要綜合考慮沿的情況。對于沿很陡的信號,是包含很多諧波成分的,在各倍頻點都有很大的振幅。因此,在選器件的時候也要注意一下,不要一味選開關(guān)速度快的芯片,不僅成本高,還會增加串?dāng)_以及EMC問題。
任何相鄰的電源層或其它的平面,只要在信號兩端有合適的電容提供一個到GND的低電抗通路,那么這個平面就可以作為這個信號的回流平面。在平常的應(yīng)用中,收發(fā)對應(yīng)的芯片IO電源往往是一致的,而且各自的電源與地之間一般都有0.01-0.1uF的退耦電容,而這些電容也恰恰在信號的兩端,所以該電源平面的回流效果是僅次于地平面的。而借用其他的電源平面做回流的話,往往不會在信號兩端有到地的低電抗通路。這樣,在相鄰平面感應(yīng)出的電流就會尋找最近的電容回到地。如果這個“最近的電容”離始端或終端很遠的話,這個回流也要經(jīng)過“長途跋涉”才能形成一個完整的回流通路,而這個通路也是相鄰信號的回流通路,這個相同的回流通路和共地干擾的效果是一樣的,等效為信號之間的串?dāng)_。
對于一些無法避免的跨電源分割的情況,可以在跨分割的地方跨接電容或RC串聯(lián)構(gòu)成的高通濾波器(如10歐電阻串680p電容,具體的值要依自己的信號類型而定,即要提供高頻回流通路,又要隔離相互平面間的低頻串?dāng)_)。這樣可能會涉及到在電源平面之間加電容的問題,似乎有點滑稽,但肯定是有效的。如果一些規(guī)范上不允許的話,可以在分割處兩平面分別引電容到地。
對于借用其它平面做回流的情況,最好能在信號兩端適當(dāng)增加幾個小電容到地,提供一個回流通路。但這種做法往往難以實現(xiàn)。因為終端附近的表層空間大多都給匹配電阻和芯片的退耦電容占據(jù)了。
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