芯耀
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下圖展示了電壓階躍是如何沿著印刷電路板（PCB）走線傳播的。在這個(gè)示例中，我們看到一條走線通過 ?PCB 板的介電材料與接地回流平面分隔開來。當(dāng)信號沿著走線傳播時(shí)，變化的電場和磁場會(huì)跟隨波前。電磁波以 1.8×10? m/s的極快速度傳播，而電子從正極到負(fù)極的實(shí)際傳導(dǎo)速度卻非常慢，僅為 0.01?m/s。
這里的關(guān)鍵要點(diǎn)是，電磁波在 PCB ?板的介電材料中傳播，并由頂部的走線和底部的接地回流平面引導(dǎo)。在我們逐步講解今天的內(nèi)容時(shí)，請牢記這種波導(dǎo)的概念。
看待同一個(gè)電路的另一種方式是將傳輸線視為一系列的 LC 電路（電感 - 電容電路）。當(dāng)波前沿著 PCB 走線推進(jìn)時(shí)，電容和電感會(huì)充電至穩(wěn)態(tài)。在波前位置會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)電流，但在波前之前和之后，LC 電路都將處于穩(wěn)態(tài)。這實(shí)際上只是看待上圖中同一電路的另一種視角。請記住，這個(gè)波前傳播速度極快，但傳導(dǎo)電流的移動(dòng)速度卻很慢。
下圖旨在說明傳導(dǎo)電流和位移電流之間的區(qū)別。它展示了一個(gè)包含電壓源、導(dǎo)線和負(fù)載的簡單電路。傳導(dǎo)電流是指電子從電壓源的正極出發(fā)，經(jīng)過負(fù)載，再到達(dá)電壓源負(fù)極的移動(dòng)過程。這種移動(dòng)速度非常慢，僅為 0.01?m/s。
另一方面，在 FR4 材質(zhì)的 PCB 中，位移電流的傳播速度非?？?，達(dá)到了 141×10??m/s?？梢园盐灰齐娏飨胂蟪蓮?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E6%BA%90/">電源起始的一連串電子碰撞反應(yīng)，這些電子碰撞經(jīng)過負(fù)載，再回到電源的負(fù)極。
打個(gè)比方，想象有一根裝滿水的軟管。當(dāng)你打開水龍頭時(shí)，水會(huì)立刻從軟管的另一端流出。水分子的一連串碰撞反應(yīng)從水龍頭開始，沿著軟管持續(xù)進(jìn)行，迫使水從軟管末端流出。雖然水龍頭里的水可能需要一段時(shí)間才能流到軟管末端，但在打開水龍頭的瞬間，水就會(huì)從軟管中噴射出來。
電磁波的傳播和位移電流的情況與此類似。波前和位移電流移動(dòng)迅速，但傳導(dǎo)電流卻非常緩慢。
現(xiàn)在，讓我們來討論一下對于低頻信號而言，回流電流在PCB的接地平面中是如何相對于頂層信號走線流動(dòng)的。這里展示的圖是印刷電路板的頂層，施加到連接器的信號沿著 PCB 頂層的紅色走線傳輸?shù)奖粶y設(shè)備（DUT）。對于低頻信號，接地平面中的回流電流會(huì)在整個(gè)電路板上擴(kuò)散，并沿著電阻最小的路徑流動(dòng)。在這種情況下，“低頻” 指的是頻率低于 100 KHz的信號。
有一個(gè)很形象的比喻有助于解釋信號走線下方波前的大小是如何變化的，那就是 “電磁干擾先生（Mr EMI）”。電磁干擾先生代表的是頂層和接地回流平面之間的波前。電磁干擾先生會(huì)適應(yīng)這個(gè)波導(dǎo)的大小，所以如果PCB的走線靠近接地回流平面，波前的尺寸就會(huì)比較小。
另一方面，如果信號路徑和回流路徑之間的距離較大，電磁干擾先生就會(huì)變大。此外，如果回流路徑中存在間隙，電磁干擾先生就會(huì)伸展以適應(yīng)回流路徑。電磁干擾先生可不是你的朋友，所以要盡量讓他的 “體型” 小一些。我知道這個(gè)比喻有點(diǎn)滑稽，但我希望它能幫助你想象不同的PCB幾何形狀是如何改變波前大小的。
現(xiàn)在，讓我們來看看當(dāng)信號通過過孔在PCB的頂層和底層之間轉(zhuǎn)換時(shí)，信號是如何在電路板上傳輸?shù)?。請注意，這個(gè)示例布局采用了一種不常見的堆疊方式，有兩個(gè)內(nèi)部接地平面。事實(shí)證明，這種堆疊方式對于低電磁干擾（EMI）來說非常好。我們稍后會(huì)詳細(xì)講解這一點(diǎn)。
現(xiàn)在，我們先來看一個(gè)使用過孔進(jìn)行層間轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)良好的示例，然后再看一個(gè)設(shè)計(jì)欠佳的示例?？梢园研盘枌雍徒拥鼗亓髀窂较胂蟪尚盘杺鞑ニㄟ^的波導(dǎo)。當(dāng)信號從頂層轉(zhuǎn)換到底層時(shí)，接地回流路徑需要從內(nèi)部接地平面 1 轉(zhuǎn)換到內(nèi)部接地平面 2。它通過縫合過孔作為從頂層到底層的垂直波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。在這個(gè)示例中，整個(gè)信號路徑都有一個(gè)良好的、連續(xù)的波導(dǎo)供信號傳輸?，F(xiàn)在，讓我們來看看同樣的電路但采用錯(cuò)誤設(shè)計(jì)的情況。
這里是同樣的電路，但沒有縫合過孔。在這種情況下，信號從頂層轉(zhuǎn)換到底層時(shí)，沒有垂直波導(dǎo)來約束波前。因此，在過孔轉(zhuǎn)換點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)射頻輻射。你可能會(huì)想，自己的系統(tǒng)只有一個(gè) 50 MHz的時(shí)鐘，怎么會(huì)產(chǎn)生高頻輻射呢。別忘了，方波的傅里葉級數(shù)表明其頻率成分能達(dá)到GHz級別，而且波形的上升時(shí)間決定了會(huì)有多少高頻成分。下圖重點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)使用縫合過孔為信號在層間轉(zhuǎn)換提供連續(xù)波導(dǎo)的重要性。
這是一個(gè)六層板的例子，展示了信號從頂層到內(nèi)層信號層一的過孔轉(zhuǎn)換情況。這種配置有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)，那就是它不需要縫合過孔。內(nèi)層接地平面一同時(shí)充當(dāng)了頂層和內(nèi)層信號層一的回流路徑。它還為層間轉(zhuǎn)換的波前充當(dāng)了垂直波導(dǎo)。請注意，由于趨膚效應(yīng)，接地回流平面頂層和底層的接地回流電流不會(huì)相互混合。趨膚效應(yīng)是一種高頻電流只在導(dǎo)體表面流動(dòng)的現(xiàn)象。
一種將內(nèi)部接地平面相互連接起來，同時(shí)也將頂層和底層敷銅與接地相連的方法，是使用縫合過孔的分布式陣列。許多PCB布局軟件程序都提供了一種自動(dòng)生成這種分布式過孔陣列的方法。這些過孔之間的間距可以設(shè)置為所施加的最高頻率對應(yīng)波長的十分之一。
下圖展示了一種更為常見的PCB堆疊方式，其中包含一個(gè)內(nèi)部接地平面以及一個(gè)內(nèi)部電源平面。與之前有兩個(gè)接地平面的例子相比，這是一種更常見的堆疊方式。然而，要實(shí)現(xiàn)良好的電磁干擾（EMI）特性性能，這種方式可能會(huì)更具挑戰(zhàn)性一些。值得注意的是，信號回流電流會(huì)在最靠近的相鄰平面中流動(dòng)。
無論這個(gè)平面是電源平面還是接地平面，情況都是如此。所以在這個(gè)例子中，當(dāng)信號從頂層轉(zhuǎn)換到底層時(shí)，回流路徑需要從內(nèi)部接地平面 1 轉(zhuǎn)換到內(nèi)部電源平面。這里存在一個(gè)問題，那就是不能在接地和電源之間設(shè)置縫合過孔，因?yàn)檫@樣會(huì)使接地和電源短路。相反，回流電流必須通過一個(gè)縫合電容來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。在很多情況下，這個(gè)縫合電容就直接采用最靠近層間轉(zhuǎn)換過孔的去耦電容。從這個(gè)例子中可以看到，信號在頂層和底層之間轉(zhuǎn)換時(shí)，射頻輻射達(dá)到了最小。
下圖展示的設(shè)計(jì)與上圖相同，但沒有使用縫合電容。當(dāng)信號從頂層轉(zhuǎn)換到底層時(shí)，回流信號沒有一個(gè)良好的路徑從內(nèi)部接地平面轉(zhuǎn)換到內(nèi)部電源平面。這樣在進(jìn)行層間轉(zhuǎn)換時(shí)就會(huì)導(dǎo)致射頻輻射的產(chǎn)生。這個(gè)問題可以通過充分使用縫合電容或去耦電容來避免。
你可能會(huì)問的一個(gè)問題是，在將兩個(gè)平面連接在一起方面，縫合電容是否和縫合過孔一樣有效。簡短的回答是，在高頻情況下，縫合電容通常不如縫合過孔有效。原因在于，使用縫合電容需要兩個(gè)過孔和一個(gè)電容。電容以及兩個(gè)過孔都會(huì)存在電感，這會(huì)限制兩個(gè)平面之間這種交流連接的效果?？p合過孔也會(huì)有電感，但它的電感會(huì)小于縫合電容及其相關(guān)的兩個(gè)過孔的電感之和。
此外，縫合過孔尺寸小，而且?guī)缀鯖]有成本，而電容會(huì)占用PCB的空間，增加成本，還會(huì)使設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。不過，一般來說，縫合電容也就是去耦電容，無論如何都是需要的。
一些PCB設(shè)計(jì)師會(huì)使用縫合電容或去耦電容的分布式陣列，這與我們之前討論過的過孔陣列類似。但我認(rèn)為，更合理的做法是有策略地將電容放置在真正需要它們的位置。
當(dāng)然，最佳做法是避免在接地平面上出現(xiàn)縫隙。但在某些情況下，這可能不太現(xiàn)實(shí)。將回流路徑中不連續(xù)部分的影響降至最低的一種方法是使用縫合電容，或者在走線旁邊設(shè)置接地橋。在這個(gè)例子中，你可以看到回流電流從接地平面轉(zhuǎn)換到頂層的縫合電容，從而跨越接地平面上的縫隙。
Tips：一些關(guān)于信號完整性SI常見的問題及回答
1、在下面的PCB布局中，一條信號走線位于 5 V和 3.3 V的電源平面上方。這種設(shè)計(jì)是否存在潛在的電磁干擾（EMI）問題呢？
a) 這種 PCB 設(shè)計(jì)沒有問題?；亓麟娏鲿?huì)在地平面中流動(dòng)。
b) 回流電流會(huì)在相鄰的電源平面中流動(dòng)，但是由于電源平面是分割開的，所以高頻回流電流無法保持在信號走線下方，從而導(dǎo)致電磁輻射。
回答：
正確答案是 “b”，即回流電流會(huì)在相鄰的電源平面中流動(dòng)，但是由于電源平面是分割開的，所以高頻回流電流無法保持在信號走線下方，從而導(dǎo)致電磁輻射?；亓麟娏鳑]有明顯的路徑，因此會(huì)產(chǎn)生射頻輻射，并且回流電流會(huì)擴(kuò)散到電路板更廣泛的區(qū)域。
2、在下面的PCB布局中，有哪些方法可以用來提升電磁干擾（EMI）性能呢？
a) 可以調(diào)整走線布線，使其僅位于 3.3 V電源平面上方，并且不跨越到 5 V平面的間隙。
b) 可以移動(dòng)接地平面，使其直接與頂層信號層相鄰。這樣，頂層信號就會(huì)有一條連續(xù)的回流路徑。
c) 可以使用縫合電容，從交流的角度將兩個(gè)平面連接起來，并彌合回流路徑上的間隙。
d) 以上所有方法。
回答：
正確答案是 “d”，即以上所有選項(xiàng)?；蛟S最簡單的解決辦法就是簡單地重新布置走線，這樣回流電流就能在 3.3 V的平面上有一條連續(xù)的路徑。另一種方法是確保信號走線始終與一個(gè)完整的接地平面相鄰，所以改變電路板的疊層結(jié)構(gòu)，讓接地平面位于頂層信號的下方也能奏效。最后，從交流的角度來看，使用縫合電容在兩個(gè)平面之間建立連接，是將這兩個(gè)平面連接起來的一種可行方法。
3、對于下面的兩塊電路板，一條模擬信號走線被放置在一條數(shù)字信號走線附近。兩塊PCB的布局是相同的，唯一的區(qū)別在于 PCB 的厚度。哪種布局能將數(shù)字信號和模擬信號之間的干擾降到最低呢？
a) 設(shè)計(jì) 1
b) 設(shè)計(jì) 2
c) 從串?dāng)_的角度來看，它們是一樣的。
回答：
正確答案是 “b”，即設(shè)計(jì) 2。較厚的電介質(zhì)為回流電流提供了擴(kuò)散的空間。
4、對于下面兩塊電路板，一條模擬信號走線被布置在一條數(shù)字信號走線附近。兩塊PCB的布局完全相同，唯一的區(qū)別在于 PCB 的厚度。哪種布局能將數(shù)字信號與模擬信號之間的干擾降至最低？
回答：
在這里你可以看到，對于較厚的電介質(zhì)，“電磁干擾先生（Mr. EMI）” 有更多的空間可以擴(kuò)散。因此，設(shè)計(jì) 1 中的場會(huì)相互重疊，而在設(shè)計(jì) 2 中，場要小得多，并且彼此是分開的。這意味著設(shè)計(jì) 2 中的串?dāng)_比設(shè)計(jì) 1 中的更低。
