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您应该在 PCB 电源平面中路由信号吗?


您应该在 PCB 电源平面中路由信号吗?

再一次,我们有一个很好的例子,说明一个长期存在的设计指南没有足够的背景。这个问题的简短回答是,在某些情况下可以这样做。这种做法很常见,我们在客户端板上这样做,这些产品没有任何阻抗问题、EMC 问题或 DC 功率损耗,因为叠层设计正确,并且因为我们考虑了如何正确布线设计。但是,在电源层上布线信号或在信号层上布线电源轨时,需要考虑多个维度。困难来自对电路板中电源完整性、受控阻抗和直流电源分配的考虑。

如何在 PCB 电源平面层中路由信号

在开始用走线切割 PCB 的电源平面层之前,您需要考虑以下方面的设计要求:

电源平面电流容量

低速与高速信号和阻抗

如果平面用作参考层,则返回路径

让我们更详细地了解每个领域。

电源平面电流容量

每当您设计电源平面时,它都会有一些定义的载流能力,这与构成平面层的铜的尺寸有关。如果您开始通过高功率平面布线,您将平面分割成多个部分,每个部分的电流容量将低于统一平面层。此外,如果您的电源层的形状非常复杂,您最终可能会创建一个具有高电流密度的漏斗,该漏斗会变得很热。您可以在 PDN 分析器模拟中可视化这样的效果。

高电流电源平面中的这个区域可以充当具有较低电流容量的阻塞点。

弥补电源层中布线的一种解决方案是在相邻层上使用另一个并行运行的电源平面。在这种安排中,您实际上是将电流分流到两个平行平面,这将有助于确保您不会超过任何一个平面部分的电流容量。对于大多数低功耗设备,您通常无需担心这一点。但是,如果您有一个高功率系统,则可能无论如何都需要这样做,以便系统可以提供足够的功率而不会变得太热。一个常见的例子是背板(3U/6U) 或其他机架安装单元。

跟踪阻抗

如果您没有通过电源层上的覆铜布布线受控阻抗线,您就不必太担心这一点。只要您遵循此列表中的其他准则(如果适用),SPI I2C 等低速数字协议以及 GPIO 就可以通过覆铜路由而不会出现问题。阻抗很重要的高速协议是另一回事,您需要确保在这些迹线周围提供足够的覆铜间隙,以确保不违反阻抗目标。如果您的功率注入太靠近您的走线,那么您需要在层堆叠中使用共面计算,以确保您不会违反阻抗容差。

在这个例子中,我已经清除了电源层,因为在这一层更容易为走线腾出空间。请注意,我还忽略了大中央区域的铜,因为由于该板的间隙规则,它不会提供任何有用的功能。

通过应用高间隙切割平面所涉及的危险是最终将铜切割成太多部分。如果走线过多,则会在布局周围留下大量剩余的铜,这些铜被切成小块。对于同样需要阻抗控制的低层数板,您可能没有另一个电源层用于将所有这些部分重新连接在一起。如果您发现必须通过电源层布线大量走线,最好再添加两层(电源层和接地层)。

返回路径

与任何其他情况下的布线一样,请确保 PCB 中的信号具有明确定义的返回路径,尤其是在电源层布线时。这里的问题是如果您在相邻层中布线。当您在与电源区域相同的层中布线时,您将在参考平面中放置间隙。对于电源区域,这通常没问题,除非您使用电源区域作为另一层信号的参考。然后,如果您碰巧穿过这些间隙之一,则会创建一个具有更高寄生电感的区域,然后可以从串扰或外部源接收更多 EMI

对于在两个平面层之间传播的低速协议,只要另一层中的平面是统一的,您就可以通过拆分的电源平面进行路由。您创建的阻抗不连续性将在电气上很短,因此您无需担心反射,并且另一层上存在平面有助于确保仍然存在明确的返回路径,尽管该区域的电感较高随着飞机分裂。对于更高速度的信号,这更为重要,您最好添加一个新层来为这些信号腾出空间,而不是切断电源层。

概括

总而言之,如果您使用不需要阻抗控制的低速数字信号操作,我不会太担心电源覆铜中的布线。请注意电源层周围的电流路径,尽量不要将电源层切成小岛。在其他情况下,您应该使用附加层并在那里布线。此外,必要时请注意阻抗要求:放置得太靠近带状线或微带线的铜会产生阻抗偏差,确保附近有另一个参考平面,并避免穿过相邻层的间隙布线。

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