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反对多层 PCB 中正交走线布线的案例
反对多层 PCB 中正交走线布线的案例
随着电子和 PCB 设计变得越来越复杂，很容易在不考虑上下文的情况下应用本网站和其他网站的建议，从而导致这些设计选择导致电路板失败的情况。
我最近有一个客户在寻找一些帮助调试升级到旧设计。客户端决定使用具有 6 层堆叠的经典正交跟踪路由建议，类似于下面显示的堆叠。在这个叠层中，两个顶层和两个底层是信号层。这些层中的走线在 IC 之间正交布线，标准通孔用于层转换。
不要将这种简单的 6 层堆叠与高速信号一起使用...
有经验的设计师应该已经知道这张图片有什么问题。问题是工程师试图升级设计以使用运行在 400 MHz的新 MCU和高速接口，但没有改变叠层，设计不可避免地失败了。
此时，解决方案应该是显而易见的；正确设计叠层，在高边缘速率下工作时，您将不必依赖正交布线来确保信号完整性。事实证明，这最终成为一个电源完整性问题，它与正交路由关系不大，而与层排列有关。然而，这引出了一个问题：什么时候应该使用正交路由？
正交跟踪路由何时适用？
在相邻信号层上使用正交走线布线的主要目标是消除走线之间的电感串扰。随着数字信号的传播，它会产生一个磁场，信号的开关边沿会在迹线周围的区域中产生变化的磁通量。当磁场线入射到与环路区域垂直的闭合导体环路上时，不断变化的磁场通量会在受害信号线中感应和反电动势。
当相邻层上的互连以正交方式（沿垂直方向）布线时，来自一条迹线的磁场将始终平行于由下一层上的受害迹线形成的导体回路，从而有效地消除了直接电感串扰。虽然这种描述在技术上是正确的，但它过于简单化，并没有考虑实际 PCB 堆叠和布局的其他重要方面。使用正交路由所涉及的主要问题与交换速度、解耦和定义可靠返回路径有关。
尽管没有电感耦合，但仍然存在电容耦合，即使走线之间的交叉区域很小。如果您没有正确设计返回路径，信号层 1 与其地之间的电场（见上图）可能会耦合回层 2 中的信号，原因是它们的互电容之间存在电位差，从而产生电容串扰。当信号边沿速率较快时，电容耦合信号所看到的阻抗较低，从而在受干扰迹线中产生较强的电流脉冲。
这样的高级设计不会使用正交走线路由。
在较低的边缘速率下，无论是否使用正交布线，您可能都不会注意到电容串扰。它仍然会发生，但它可能不足以突破连接到受害迹线的任何组件的噪声容限。在低速时，电感耦合信号的阻抗较低，因此您可能希望在相邻信号层上正交布线，以最大限度地减少电感耦合。使用低边缘速率是在相邻信号层中进行正交走线布线合适的一种情况。
对于我们其他人，我们通常在边缘速率方面工作在纳秒以下，这需要信号层之间的仔细屏蔽/隔离、精心设计的返回路径和超稳定的功率传输。这一切都取决于设计正确的 PCB 叠层。