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遵循多层接地回路以防止 EMI
遵循多层接地回路以防止 EMI
确保这些走线都没有穿过地平面间隙
在复杂的多层 PCB 中，沿着返回地面的路径很快就会变得复杂。当您的 PCB 层数较少时（例如，具有两个平面层的 4 层板），确定返回路径并有意设计以防止 EMI 变得相当容易。当您使用更高的层数时，情况会变得更加复杂。即使导体未接地，多个平面层和导体也可以形成接地回路。这有助于区分地平面和参考平面，因为两者都可以构成 PCB 中返回路径的一部分。
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部分。它们是有意放置在您的电路板上，例如信号走线的接地平面，还是靠近信号走线的无意参考平面，如果您不仔细跟踪整个电路板上信号走线的位置，可能很难确定. 信号的接地回路实际上可能不会流经地面；它可以穿过机箱、电源层或其他一些接地导体。
无论返回路径在电路板上的何处运行，它总是会尝试返回电路板上的低电位点，即返回电源的接地返回点。无论返回信号是在机箱、电源平面还是其他导体中感应出的，由于接地导体和保持较高电位的导体之间存在电位差，它都会被拉回地面。
除了作为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为：
EMI 敏感性。返回路径产生的环路电感决定了电路对 EMI的敏感性。具有大电流回路的电路将具有更大的寄生电感，使其更容易受到辐射 EMI 的影响。环路越紧，环路电感越低。这就是为什么高速信号走线应靠近相邻层上的参考平面布线的原因之一。
混合信号板中的干扰。信号承载导体与其最近的参考导体之间的寄生电容，以及电路产生的环路，决定了开关信号所见的电抗。由于电抗是信号中频率成分的函数，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关为单个平面层设计混合信号返回路径的更多信息。
共模噪声路径。共模噪声一旦在给定的走线中感应出来，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，因为这决定了信号所见的电抗。
当我们在具有多个平面层的多层堆叠中布线时，情况变得更加复杂，因为参考导体可以沿信号路径变化。决定初始参考平面的主要量是信号走线和附近导体之间的寄生电容以及电路的电感。请注意，由于电感的存在，寄生阻抗不会局限于相邻导体，这会在多层板中形成复杂的接地回路。
你能追踪这些走线的接地回路吗？
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 中的返回电流会发生什么，您可能会问自己：当电流耦合到接地层或其他接地导体时会发生什么? 首先为什么会发生这种情况？两者都是有效的问题。
相邻导体之间的寄生
让我们先解决第二个问题，因为它有助于解释第一个问题的答案。引入返回路径的位置取决于信号走线和相邻导体之间的电容，以及由信号走线和相关导体形成的电路的自感。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，该路径可以指向通过基板或通过空气！）是返回电流遵循的方向。恰好在信号迹线和候选导体之间呈现最低阻抗（即，最强耦合）的路径恰好是最近的导体，因为该路径通常提供最大的电容和最小的电感。
电源平面作为接地返回路径
这就解释了为什么如果电源平面比最近的接地平面更靠近给定的信号走线，它可以充当参考导体。电源平面和信号走线之间的电容/电感阻抗可能比走线与其最近的接地平面之间的阻抗值大得多。我们在此处讲述的故事有效地描述了信号在穿过多层 PCB 中的多个层时如何改变参考平面。
信号穿过多层 PCB 中的电源层的示例返回路径。
现在问第三个问题：耦合到电源层的返回信号如何返回到接地的返回路径？电源层和接地层将有一些层间电容，允许返回电流耦合回接地层。如果旁路电容器连接在电源端口和接地层之间，它们还会为电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，您不应在电源平面上布线，因为很难控制返回路径，尤其是在高速/高频板中。您应该始终在设计电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。