PCB层之间的通讯信号

2021-08-20

PCB层之间的通讯信号

第 1 部分：ESD 示例

层转换中的信号电流

摘要：印刷电路板、PCB、信号路径必须经常改变板叠层中的层。在某些情况下，这可能会导致问题。ESD 示例用于说明更改层会导致问题的条件。

图 1：通过过孔的信号路径

讨论：PCB 中的布线路径通常需要更改层的路径来完成布局。对于四层PCB，这通常意味着从电路板的顶层更改为底层，中间的两个层是电源和地。四层板尤其成问题，因为与六层或更多层板相比，电源层和接地层之间的间隔通常相对较大，大约为 30 到 40 密耳。

图 1 显示了信号路径从四层板的顶层变为底层的情况。而在顶层和底层，信号电流与其在附近接地或电源层中的镜像返回电流相匹配。随着信号电流从上到下改变层，可能会发生影响 ESD 性能的损害。

所有信号形成一个循环，从源到加载，再回到源。通常是路径的“返回”部分让我们陷入困境，正如我们将在这个特定案例中看到的那样。信号在底面底部的返回电流跟随信号到达底面顶部，但它必须通过面间阻抗（图 1 中的 Z）才能到达顶面的底部，从那里它可以跟随信号到顶平面的顶部。

图 2：具有单层和两层路径的测试板

考虑阻抗 Z 的一种方法是将两个平面视为从信号通孔展开的二维传输线。旁路电容形成低阻抗“短路”（尽管在足够高的频率下短路并不是那么好，因为它们的电感变得很重要）并且电路板的边缘通常是未端接的“开路”。这些和其他特征会引起反射，导致平面间阻抗随频率显着变化，并且对于平面间距约为 30 密耳的四层板，在某些频率下可以达到几欧姆。墨菲定律表明，该阻抗的一个峰值将位于时钟频率的三次谐波处！

为了评估这种效果，我构建了如图 2 所示的测试板。每条信号走线长约 30 厘米。走线由一根 100 欧姆双绞电话线导体组成。当贴在地平面上时，它形成了一个 50 欧姆的路径。该板为双覆铜板，整个组件模拟四层 PWB。两个铜平面相距约 30 密耳，并通过左侧的 SMA 连接器和右侧的负载电阻器（四个位置）短接在一起。一条路径停留在一侧，而另一条路径穿透电路板并在另一侧运行约 10 厘米。

图 3

具有单层和两层路径的测试板

电路板经受 3 kV ESD 接触放电，从 ESD 模拟器到一条 1 米电缆的末端，该电缆固定在图 2 所示的平面靠近右边缘的中间，而左边缘的中间连接到地从板上排出电荷。图 3 显示了图 2 顶部路径在 SMA 连接器处产生的明显信号，该信号位于电路板的同一侧。该信号只有大约 400 mV。

ESD 产生的 EMI 到一层路径

图 4 显示了图 2 下方路径的 SMA 连接器处的视在信号，该信号从电路板的顶部到底部再向后改变层。在这种情况下，SMA 连接器处的峰值信号超过 2 伏峰值，并且在组件的固有频率下振荡。对于大多数逻辑电路来说，这个级别肯定是一个问题。较低路径中增加的噪声是由于 ESD 在从电路板一侧到另一侧的每次转换时导致跨板阻抗 Z 上的电压降。该电压出现在信号/返回回路中，因此出现在 SMA 连接器上。

图 4：SMA 连接器处的信号

ESD 产生的 EMI 到两层路径

对于板间距离远小于 30 密耳的情况，板间阻抗通常也会更低，图 4 中所示的效果将更小，问题也更少。如果关键信号从靠近现有（低成本）旁路电容器的电路板顶部过渡到底部，则对于四层电路板的影响也可以最小化。

总结： PWB 各层之间的转换可能会给信号路径带来显着的损害。电源和地平面之间的间距越大，影响越大。“四层”PWB 响应 ESD 的示例显示了可能发生的问题之一。 

第 2 部分：排放示例

两条路径的相对排放量

图 5：排放

摘要：印刷电路板、PCB、信号路径必须经常改变板叠层中的层。在某些情况下，这可能会导致问题。排放示例用于说明更改图层可能导致问题的条件。

讨论：PCB 中的布线路径通常需要更改层的路径来完成布局。对于四层PCB，这通常意味着从电路板的顶层更改为底层，中间的两个层是电源和地。四层板尤其成问题，因为与六层或更多层板相比，电源层和接地层之间的间隔通常相对较大，大约为 30 到 40 密耳。

图 5 描述了图 2 所示电路板的发射。电路板上的路径长约 30 厘米。一个留在板的同一侧，而另一个穿过到另一侧约 10 厘米。两个金属平面相距约 30 密耳，并通过 SMA 连接器和 47 欧姆负载电阻短接在一起。这些路径由一根由 24 号双绞线电话线制成的绝缘导体制成。由于原始电缆的差分阻抗为 100 欧姆，因此绑在铜平面上的一根电线将具有相对于金属平面的 50 欧姆特征阻抗。

图 1 的数据是通过使用频谱分析仪的跟踪发生器激励一条路径并将发射测量天线连接到频谱分析仪的输入端而生成的。该天线具有高达约 3 GHz 的合理天线系数。图 6 显示了位于 EMC 室中的纸板箱上的电路板。左侧的同轴电缆来自跟踪发生器，右侧的一米白线正好挂在通过鳄鱼夹连接到其中一个板平面的盒子上。它被包括在内，以防飞机上的信号电压可能导致连接的电缆辐射。同轴电缆屏蔽层和添加的电线形成某种偶极子，尽管是不对称的。

图 6

图 5 是通过叠加图 2 所示两条路径的发射数据生成的。这些图涵盖了从近直流到 2.9 GHz 的频率范围。图的绝对大小并不重要。这取决于跟踪发生器的输出功率，但两个图之间的比较是惊人的。下方的轨迹是由留在电路板一侧的路径产生的，而上方的轨迹，显示出明显的峰值，是在穿过电路板的路径通电时产生的。请注意，247 MHz 处的第一个峰值比位于电路板同一侧的路径在该频率处的发射高出近 30 dB。

图 1 显示了信号通过电路板时导线和平面中的信号电流。当信号在平面之间通过时，信号返回路径中会出现复杂的平面间阻抗 Z。由信号电流以及其他效应在该阻抗上产生的电压会导致图 5 中所示的发射。

对于板间距离远小于 30 密耳的情况，板间阻抗通常也会更低，图 5 中所示的效果将更小，问题也更少。如果关键信号从电路板的顶层过渡到现有（低成本）旁路电容器附近的底层，则对于四层电路板的影响也可以最小化。

总结：PCB 各层之间的转换会给信号路径带来显着的损害。电源和地平面之间的间距越大，影响越大。“四层”PCB 排放概况的示例显示了可能发生的问题之一。

图 7：使用 Agilent N9340B 频谱分析仪的测试设置

第 3 部分：层间电压

摘要：四层 PCB 被用于广泛的应用中。然而，通常需要在顶部和底部信号层上布线一些信号路径，以达到所需的布线密度。使用具有接地层和电源层的四层 PCB 模型，所提供的数据表明，除非遵守简单的设计规则，否则在两个信号层上路由信号可能会导致平面之间产生显着的信号电压。

讨论：图 7 显示了用于生成数据的测试设置，由 Agilent N9340B 频谱分析仪和测试板组成。测试板两面都包铜，厚约 50 密耳。在将 BNC 连接器添加到电路板中间之前，电路板底部的特写图如图 2 所示。两条大约 9 英寸（~23 厘米）长的路径从 SMA 连接器延伸到 51 欧姆负载电阻器。这些路径是由 100 欧姆双绞电话线的单根绝缘线制成的，它们被绑在下面的平面上，从而形成大约 50 欧姆的传输线。一条路径留在板的底部，而另一条路径在板的另一侧运行大约其长度的 1/3。

图 8：测试板的顶部

两个平面通过 SMA 连接器和负载电阻短接在一起。这模拟了四层 PCB 的电源层和接地层之间的四个旁路电容器。大多数四层 PCB 有四个以上的旁路电容器，但我想展示一个只有四个的极限情况。与大多数四层 PCB 相比，结果是最坏的情况。但是，我见过需要额外旁路电容器的 PCB。此外，没有有源元件（例如背板）的无源四层 PCB 有时几乎没有旁路电容器。

图 8 显示了测试板顶部的特写。BNC 板安装连接器已焊接到顶部平面（并用铜带包围，以确保从平面到连接器的 360 度接触良好）。连接器的中心引脚焊接到底部平面，因此 BNC 连接器上的信号是平面之间的信号电压。该连接器连接到频谱分析仪输入端，而分析仪的跟踪发生器输出连接到一个或另一个 BNC 连接器，电路板底部的信号路径连接到该连接器（图 3 的右侧）。

图 9 和图 10 显示了当跟踪发生器分别连接到位于电路板一侧的路径和在两侧布线的路径时产生的频谱分析仪屏幕。跟踪发生器设置为其最大电平 107 dBuV（0 dBm，约 224 mV）。请注意，对于在两侧布线的路径，平面之间的电压要大得多，在大多数频率下高出数十 dB。在大约 240 MHz 的第一个峰值处，它高出 45 到 50 dB。

图 9：频谱分析仪结果

鉴于施加的信号约为 107 dBuV（进入 50 欧姆负载）并且平面之间的峰值读数在 240 MHz 时约为 93 dBuV，平面之间的信号仅比施加的信号小 14 dB 或约 1/5施加的信号。这意味着平面之间的阻抗必须至少在 240 MHz 的中心 BNC 连接器区域内为几欧姆。请记住，这些平面在距离“过孔”约 3 英寸（1.2 厘米）处短路在一起，信号在电路板顶部和底部之间通过。

图 10：频谱分析仪结果

与大多数四层 PCB（只有四个“旁路电容”）相比，这是一个限制情况，但对于无源背板和连接板来说可能是一个重大问题，因为如果有电容器的话，它们的间距可能很大。前段时间我回顾了一个无源板的布局，它在系统的两个部分之间连接 SCSI 信号。SCSI 路径在四层板的顶层进入，并在另一个连接器的底层退出。我让做布局的人在 SCSI 信号的过孔区域添加旁路电容器，因为它们从顶层传递到底层，以防止出现上述效果。

鉴于上述数据，可以提出四层板的设计规则，其中关键信号（时钟、复位或类似信号）必须从四层板的顶部信号层传递到底部信号层。此信号的过孔应位于现有或添加的旁路电容器附近。

总结：四层 PCB 模型的使用表明，在某些情况下，四层板的平面之间会产生显着的信号电压。由此产生的设计规则可能是在四层 PCB 上的旁路电容器附近定位重要信号的过孔。

第 4 部分：板间电压（续）

摘要：四层 PCB 被用于广泛的应用中。然而，通常需要在顶部和底部信号层上布线一些信号路径，以达到所需的布线密度。使用带有接地层和电源层的四层 PCB 模型，在时域中显示的数据表明，除非遵守简单的设计规则，否则两个信号层上的布线信号会导致平面之间产生显着的信号电压。

图 11：测试设置

讨论：图 11 显示了用于生成数据的测试设置，由 Fischer Custom Communications TG-EFT 高压脉冲发生器、Agilent Infinium 54845a 示波器和测试板组成。测试板两面都包铜，厚约 50 密耳。在将 BNC 连接器添加到电路板中间之前，电路板底部的特写图如图 2 所示。两条大约 9 英寸（~23 厘米）长的路径从 SMA 连接器延伸到 51 欧姆负载电阻器。这些路径是由 100 欧姆双绞电话线的单独绝缘电线制成，它们绑在下面的平面上，从而形成大约 50 欧姆的传输线。一条路径留在电路板的底部，而另一条路径在电路板的顶部延伸其长度的大约 1/3（如图 1 所示）。

两个平面通过 SMA 连接器和负载电阻短接在一起。这模拟了四层 PCB 的电源层和接地层之间的四个旁路电容器。大多数四层 PCB 有四个以上的旁路电容器，但我想展示一个只有四个的极限情况。与大多数四层 PCB 相比，结果是最坏的情况。但是，我见过需要额外旁路电容器的 PCB。此外，没有有源元件（例如背板）的无源四层 PCB 有时几乎没有旁路电容器。

图 8 显示了测试板顶部的特写。BNC 板安装连接器已焊接到顶部平面（并用铜带包围，以确保从平面到连接器的 360 度接触良好）。连接器的中心引脚焊接到底部平面，因此 BNC 连接器上的信号是平面之间的信号电压。此连接器连接到示波器输入，而 TG-EFT 脉冲发生器输出连接到一个或另一个 SMA 连接器，电路板底部的信号路径连接到该连接器（图 8 的右侧）。SMA 转 BNC 适配器用于将 BNC 电缆连接到示波器。

TG-EFT 设置为产生 100 伏脉冲（上升时间为 2 ns，下降时间约为 100 ns）。由于在 TG-EFT 的输出端使用了 50 欧姆的串联终端，并且信号路径的其余部分也是 50 欧姆，因此此设置会在电路板上的信号路径中产生一个大约 1 安培的电流脉冲。

图 12：范围图

图 12 和 13 显示了当 TG-EFT 发生器分别连接到位于电路板一侧的路径和在两侧布线的路径时产生的示波器图。对于位于电路板同一侧的路径，图 12 中的曲线显示了大约 2 mV 的峰值幅度，这是一个非常小的值。图 13 中由电路板顶部和底部之间的路径产生的图的峰值幅度约为 270 mV，这是一个更大的信号。请注意，图 13 中的振铃频率约为 240 MHz，与 2010 年 6 月的技术花絮中在该电路板上的频域中测得的谐振频率相同。图 12 中的主振铃频率要慢得多，而且幅度如此之低，它也可能出现在图 13 中，但太小而无法在 100 mV/div 垂直刻度上看到。

在许多情况下，可以将 1 安培或更多电流倾倒到 PCB 的电源接地结构中。例如，从背板的顶层到底层变化的宽总线，如果位在同一方向上同时变化，就会在平面中产生大量电流。现代总线也可能比用于此实验的电流的 2 ns 上升时间更快，这可能会使问题变得更糟。

作为对我的一位客户的测试，我曾经将大约 90 安培的电流从 EFT 发生器的输出以 5 ns 的上升时间倾倒到 PCB 的 3.3 伏电源层（相对于接地层）。没有观察到电路板的操作错误，这是一个非常好的设计，比我们在这里使用的测试板好两个数量级或更多。

图 13：范围图

与大多数四层 PCB（只有四个“旁路电容”）相比，这是一个限制情况，但对于无源背板和连接板来说，所描述的影响可能代表一个重大问题，因为这些背板和连接板可能有很宽的电容器，如果有的话。前段时间我回顾了在系统的两个部分之间连接 SCSI 信号的无源四层板的布局。SCSI 路径在顶层进入并在底层退出到另一个连接器。我让做布局的人在 SCSI 信号的过孔区域添加旁路电容器，因为它们从顶层传递到底层，以防止出现上述效果。

鉴于上述数据，可以为四层板提出一个设计规则，其中关键或噪声信号（总线、时钟、复位或类似信号）必须从四层板的顶部信号层传递到底部信号层：这些信号应位于现有或添加的旁路电容器附近。

总结：四层 PCB 模型的使用表明，当信号在顶层和底层之间布线时，在某些情况下，四层板的平面之间会产生显着的信号电压。由此产生的设计规则可能是在四层 PCB 上的旁路电容器附近定位噪声或重要信号的通孔。