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在高速 PCB 设计中永远不要跨越地平面间隙
在高速 PCB 设计中永远不要跨越地平面间隙
确保这些走线都没有穿过地平面间隙
我经常浏览电子产品和 PCB 论坛，我看到一遍又一遍地问同样的问题：为什么我不应该在地平面的裂口上布线？从制造商到刚刚涉足高速 PCB 设计的专业设计师，每个人都会问这个问题。对于专业的信号完整性工程师来说，答案应该是显而易见的。
无论您是长期从事 PCB 布局的工程师还是临时设计师，了解这个问题的答案都会有所帮助。答案总是被框定为始终/从不声明。我通常不喜欢对 PCB 设计问题给出绝对的答案，但在这种情况下，答案很明确：切勿将信号路由到地平面的间隙上。让我们进一步深入研究，了解为什么不应该在地平面的间隙上布线。
地平面间隙：低速和高速设计
回答这个问题需要考虑信号在直流、低速和高速下的表现。这是因为每种类型的信号都会在该参考平面中产生不同的返回路径。您的信号所遵循的返回路径将对电路板内产生的 EMI 以及特定电路对 EMI 的敏感性产生一些重要影响。
如果您了解 PCB 中的返回电流是如何形成的，那么就很容易了解它如何影响 EMI 和信号完整性。这就是为什么它很重要——它与接地平面间隙上的布线有关。电路板中的返回电流形成的回路决定了两个重要的行为：
EMI 敏感性。电路中的电源和返回电流产生的环路决定了电路板对 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。
开关信号振铃。当信号在电平之间切换时，电路中的寄生电感决定了电路中瞬态响应所经历的阻尼水平。当与电路中的寄生电容一起使用时，这两个量决定了瞬态响应的固有频率和阻尼振荡频率。
让我们详细看一下直流、低速和高速信号：
直流电压/电流
当电路板使用直流电源运行时，不会直接在信号走线下方产生返回电流；它将沿着一条直线回到供应返回点。这意味着您基本上无法控制返回路径，并且由于寄生电感较大，电路板可能容易受到 EMI 的影响。有人会认为，因为电源没有切换，所以不会有瞬态振荡，因此微带线走线是否穿过地平面间隙也没有关系。虽然没有振荡，但仍然存在 EMI 敏感性问题。您应该尽量保持直流回路电感尽可能低，避免通过接地层间隙布线是减少回路电感的最佳方法。
低速信号
就像直流信号一样，返回路径决定了电路的环路电感，它决定了瞬态响应中的EMI 敏感性和阻尼。如果环路电感较大，阻尼率将较低，就像 DC 信号的情况一样，通过接地层间隙布线会增加环路电感，从而影响信号完整性、电源完整性和 EMI。
不幸的是，低速信号已成为历史，每块使用 TTL 和更快逻辑的电路板都将表现为高速电路。对于低速信号（通常为 10 ns 的上升时间或更慢），特定电路中的振铃幅度通常足够低，以至于不会被注意到。因此，只要信号不通过地平面间隙路由，环路电感通常就足够低以防止强烈振铃、EMI 敏感性和相关的电源完整性问题。
高速信号
如果我采用设计为低速运行的电路板，并使用高速信号运行它，对于给定的电路环路电感，振铃幅度将更大。同样，这说明需要保持电路板中的环路电感尽可能小。目标是提供尽可能多的阻尼，以减少给定互连中的振铃幅度。同样，通过接地平面间隙布线将避免增加环路电感。此外，接地平面应放置在承载高速电路的信号层下方，以确保整个互连中的环路电感尽可能低。
通过接地层间隙路由的信号的示例返回路径。
另一种查看接地层间隙的方法是阻抗不连续性。如果信号通过接地平面间隙路由，间隙上方区域的阻抗将大于互连其余部分的阻抗。除了上述加剧的振铃问题外，这还会导致信号反射。
了解有关地平面间隙上高速信号传输的更多信息。
上面提到的关于数字信号的一切都同样适用于模拟信号。上面提到的瞬态信号问题与电源完整性问题有关，尤其是在使用高栅极/引脚数组件的电路板中。层堆栈应专门设计为支持快于 TTL 的组件（见下文）。
电源轨和地平面间隙
请注意，我们已经从信号完整性的角度研究了这一点，但同样的想法也适用于电源完整性。正如微带线走线不应穿过地平面间隙一样，您也应该避免在地平面间隙上方的表面层上布线电源轨。如果您为数字 IC 提供直流电源，当 IC 在 ON 和 OFF 状态之间切换时，它会从电源汲取一些电流。这将在电源轨上产生电压纹波。
电源电压中的这种特殊瞬态响应表现为阻尼振荡。其幅度与 PDN的阻抗成正比，与 PDN 中的阻尼水平成反比。就像阻尼与标准 PCB 互连中的环路电感成反比一样，这同样适用于 PDN 中的瞬态响应。这意味着如果保持较小的环路电感，则可以抑制电源轨上的瞬态响应。做到这一点的最佳方法是将接地平面放置在与电源平面直接相邻的层上，并避免在任何接地平面间隙上布线任何电源轨。
如果您使用的是两层电路板并且没有空间放置接地层，则应仔细规划电路板中的返回路径，以保持较小的环路电感。一种选择是在顶层和底层使用网格布置的接地区域，并通过过孔将它们连接起来。但是，如果您正在处理高速信号（TTL 和更快），由于PDN 中的电容不足，您会在电源轨上看到较大的电压波动。这是高速电路板中电源和地平面放置在相邻层上，而地平面直接放置在信号/元件层下方的主要原因。
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