高速電路PCB回流路徑詳解

　　回流的基本概念

　　數(shù)字電路的原理圖中，數(shù)字信號的傳播是從一個(gè)邏輯門向另一個(gè)邏輯門，信號通過導(dǎo)線從輸出端送到接收端，看起來似乎是單向流動(dòng)的，許多數(shù)字工程師因此認(rèn)為回路通路是不相關(guān)的，畢竟，驅(qū)動(dòng)器和接收器都指定為電壓模式器件，為什么還要考慮電流呢！實(shí)際上，基本電路理論告訴我們，信號是由電流傳播的，明確的說，是電子的運(yùn)動(dòng)，電子流的特性之一就是電子從不在任何地方停留，無論電流流到哪里，必然要回來，因此電流總是在環(huán)路中流動(dòng)，電路中任意的信號都以一個(gè)閉合回路的形式存在。對于高頻信號傳輸，實(shí)際上是對傳輸線與直流層之間包夾的介質(zhì)電容充電的過程。

　　2 回流的影響

　　數(shù)字電路通常借助于地和電源平面來完成回流。高頻信號和低頻信號的回流通路是不相同的，低頻信號回流選擇阻抗路徑，高頻信號回流選擇感抗的路徑。

　　當(dāng)電流從信號的驅(qū)動(dòng)器出發(fā)，流經(jīng)信號線，注入信號的接收端，總有一個(gè)與之方向相反的返回電流：從負(fù)載的地引腳出發(fā)，經(jīng)過敷銅平面，流向信號源，與流經(jīng)信號線上的電流構(gòu)成閉合回路。這種流經(jīng)敷銅平面的電流所引起的噪聲頻率與信號頻率相當(dāng)，信號頻率越高，噪聲頻率越高。邏輯門不是對的輸入信號響應(yīng)，而是對輸入信號和參考引腳間的差異進(jìn)行響應(yīng)。單點(diǎn)終結(jié)的電路對引入信號和其邏輯地參考平面的差異做出反應(yīng)，因此地參考平面上的擾動(dòng)和信號路徑上的干擾是同樣重要的。邏輯門對輸入引腳和指定的參考引腳進(jìn)行響應(yīng)，我們也不清楚到底哪個(gè)是所指定的參考引腳（對于 TTL，通常是負(fù)電源，對于 ECL 通常是正電源，但是并不是全都如此），就這個(gè)性質(zhì)而言，差分信號的抗干擾能力就能對地彈噪聲和電源平面滑動(dòng)具有良好的效果。

　　當(dāng) PCB 板上的眾多數(shù)字信號同步進(jìn)行切換時(shí)（如 CPU 的數(shù)據(jù)總線、地址總線等），這就引起瞬態(tài)負(fù)載電流從電源流入電路或由電路流入地線，由于電源線和地線上存在阻抗，會(huì)產(chǎn)生同步切換噪聲（SSN），在地線上還會(huì)出現(xiàn)地平面反彈噪聲（簡稱地彈）。而當(dāng)印制板上的電源線和接地線的環(huán)繞區(qū)域越大時(shí)，它們的輻射能量也就越大，因此，我們對數(shù)字芯片的切換狀態(tài)進(jìn)行分析，采取措施控制回流方式，達(dá)到減小環(huán)繞區(qū)域，輻射程度的目的。

　　實(shí)例解釋：

　　IC1 為信號輸出端，IC2 為信號輸入端（為簡化 PCB 模型，假定接收端內(nèi)含下接電阻），第三層為地層。IC1 和 IC2 的地均來自于第三層地層面。TOP 層右上角為一塊電源平面，接到電源正極。C1 和 C2 分別為 IC1、IC2 的退耦電容。圖上所示的芯片的電源和地腳均為發(fā)、收信號端的供電電源和地。

　　在低頻時(shí)，如果 S1 端輸出高電平，整個(gè)電流回路是電源經(jīng)導(dǎo)線接到 VCC 電源平面，然后經(jīng)橙色路徑進(jìn)入 IC1，然后從 S1 端出來，經(jīng)第二層的導(dǎo)線經(jīng) R1 端進(jìn)入 IC2，然后進(jìn)入 GND 層，經(jīng)紅色路徑回到電源負(fù)極。

　　在高頻時(shí)，PCB 所呈現(xiàn)的分布特性會(huì)對信號產(chǎn)生很大影響。我們常說的地回流就是高頻信號中經(jīng)常要遇到的一個(gè)問題。當(dāng) S1 到 R1 的信號線中有增大的電流時(shí)，外部的磁場變化很快，會(huì)使附近的導(dǎo)體感應(yīng)出一個(gè)反向的電流，如果第三層的地平面是完整的地平面的話，那么會(huì)在地平面上產(chǎn)生一個(gè)藍(lán)色虛線標(biāo)示的電流，如果 TOP 層有一個(gè)完整的電源平面的話，也會(huì)在 TOP 層有一個(gè)沿藍(lán)色虛線的回流。此時(shí)信號回路有的電流回路，向外輻射的能量，耦合外部信號的能力也。（高頻時(shí)的趨膚效應(yīng)也是向外輻射能量，原理是一樣的。）

　　由于高頻信號電平和電流變化都很快，但是變化周期短，需要的能量并不是很大，所以芯片是和離芯片近的退耦電容取電的。當(dāng) C1 足夠大，而且反應(yīng)又足夠快（有很低的 ESR 值，通常用瓷片電容。瓷片電容的 ESR 遠(yuǎn)低于鉭電容。），位于頂層的橙色路徑和位于 GND 層的紅色路徑可以看成是不存在的（存在一個(gè)和整板供電對應(yīng)的電流，但不是與圖示信號對應(yīng)的電流）。

　　因此，按圖中構(gòu)造的環(huán)境，電流的整個(gè)通路是：由 C1 的正極→IC1 的 VCC→S1→L2 信號線→R1→IC2 的 GND→過孔→GND 層的黃色路徑→過孔→電容負(fù)極?？梢钥吹?，電流的垂直方向有一個(gè)棕色的等效電流，中間會(huì)感應(yīng)出磁場，同時(shí)，這個(gè)環(huán)面也能很容易的耦合到外來的干擾。如果和圖中信號為一條時(shí)鐘信號，并行有一組 8bit 的數(shù)據(jù)線，由同一芯片的同一電源供電，電流回流途徑是相同的。如果數(shù)據(jù)線電平同時(shí)同向翻轉(zhuǎn)的話，會(huì)使時(shí)鐘上感應(yīng)一個(gè)很大的反向電流，如果時(shí)鐘線沒有良好的匹配的話，這個(gè)串?dāng)_足以對時(shí)鐘信號產(chǎn)生致命影響。這種串?dāng)_的強(qiáng)度不是和干擾源的高低電平的成正比，而是和干擾源的電流變化速率成正比，對于一個(gè)純阻性的負(fù)載來說，串?dāng)_電流正比于 dI/dt=dV /（T？10%-90%*R）。式中的 dI/dt （電流變化速率）、dV（干擾源的擺幅）和 R（干擾源負(fù)載）都是指干擾源的參數(shù)（如果是容性負(fù)載的話，dI/dt 是與 T？10%-90%的平方成反比的。）。從式中可以看出，低頻的信號未必比高速信號的串?dāng)_小。也就是我們說的：1KHz 的信號未必是低速信號，要綜合考慮沿的情況。對于沿很陡的信號，是包含很多諧波成分的，在各倍頻點(diǎn)都有很大的振幅。因此，在選器件的時(shí)候也要注意一下，不要一味選開關(guān)速度快的芯片，不僅成本高，還會(huì)增加串?dāng)_以及 EMC 問題。

　　任何相鄰的電源層或其它的平面，只要在信號兩端有合適的電容提供一個(gè)到 GND 的低電抗通路，那么這個(gè)平面就可以作為這個(gè)信號的回流平面。在平常的應(yīng)用中，收發(fā)對應(yīng)的芯片 IO 電源往往是一致的，而且各自的電源與地之間一般都有 0.01-0.1uF 的退耦電容，而這些電容也恰恰在信號的兩端，所以該電源平面的回流效果是僅次于地平面的。而借用其他的電源平面做回流的話，往往不會(huì)在信號兩端有到地的低電抗通路。這樣，在相鄰平面感應(yīng)出的電流就會(huì)尋找近的電容回到地。如果這個(gè)“近的電容”離始端或終端很遠(yuǎn)的話，這個(gè)回流也要經(jīng)過“長途跋涉”才能形成一個(gè)完整的回流通路，而這個(gè)通路也是相鄰信號的回流通路，這個(gè)相同的回流通路和共地干擾的效果是一樣的，等效為信號之間的串?dāng)_。

　　對于一些無法避免的跨電源分割的情況，可以在跨分割的地方跨接電容或 RC 串聯(lián)構(gòu)成的高通濾波器（如 10 歐電阻串 680p 電容，具體的值要依自己的信號類型而定，即要提供高頻回流通路，又要隔離相互平面間的低頻串?dāng)_）。這樣可能會(huì)涉及到在電源平面之間加電容的問題，似乎有點(diǎn)滑稽，但肯定是有效的。如果一些規(guī)范上不允許的話，可以在分割處兩平面分別引電容到地。

　　對于借用其它平面做回流的情況，能在信號兩端適當(dāng)增加幾個(gè)小電容到地，提供一個(gè)回流通路。但這種做法往往難以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榻K端附近的表層空間大多都給匹配電阻和芯片的退耦電容占據(jù)了。

　　回流噪聲是參考平面上的噪聲主要的來源之一。因此有必要研究一下返回電流的路徑和流經(jīng)范圍。

　　3 回流路徑理論知識(shí)

　　下圖中是印制板中的一條線路，在導(dǎo)線上有電流通過，通常，我們只看到了敷在表面的用于傳輸信號的導(dǎo)線，從驅(qū)動(dòng)端到接收端，實(shí)際上，電流總是在環(huán)路上才能流動(dòng)，傳輸線是我們可以看到的，而電流回流的途徑通常是不可見的，他們通常借助于地平面和電源平面流回來，由于沒有物理線路，回路途徑變得難于估計(jì)，要對他們進(jìn)行控制有一定的難度。

　　如圖 3.1 所示， PCB 板上每條導(dǎo)線和其回路構(gòu)成一個(gè)電流環(huán)路，根據(jù)電磁輻射原理，當(dāng)突變的電流流過電路中的導(dǎo)線環(huán)路時(shí)，將在空間產(chǎn)生電磁場，并對其他導(dǎo)線造成影響，這就是我們通常所說的輻射，為了減少輻射的影響，首先應(yīng)該了解輻射的基本原理和與輻射強(qiáng)度有關(guān)的參數(shù)。

　　圖 3.1 印制板上的差模輻射

　　這些環(huán)路相當(dāng)于正在工作的小天線，向空間輻射磁場。我們用小環(huán)天線產(chǎn)生的輻射來模擬它，設(shè)電流為 I，面積為 S 的小環(huán)，在自由空間為 r 的遠(yuǎn)場測得的電場強(qiáng)度為：

　　E――電場（V/m）

　　f――頻率（ ）

　　S――面積（ ）

　　I――電流（A）

　　r――距離（m）

　　――測量天線與輻射平面的夾角（ ）

　　式 3.1 適用于放置在自由空間且表面無反射的小環(huán)，實(shí)際上我們的產(chǎn)品是在地面進(jìn)行而非自由空間，附近地面的反射會(huì)使測得的輻射增加 6dB，考慮到這一點(diǎn)，式 3.1 必須乘 2，如果對地面反射加以修正并假設(shè)為輻射方向，則式 3.1 為

　　由式 3.2 知，輻射與環(huán)路電流和環(huán)面積成正比，與電流頻率的平方成正比。

　　印刷電路板中返回電流的路徑是與電流的頻率密切相關(guān)的。根據(jù)電路基本知識(shí)，直流或低頻電流總是流向阻抗的方向；而高頻的電流在電阻一定的情況下，總是流向感抗的方向。

　　如果不考慮過孔在敷銅平面上形成的孔、溝的影響，阻抗的路徑，也就是低頻電流的路徑，是由地敷銅平面上的弧形線組成，如圖 3.2。每根弧線上的電流的密度與此弧線上的電阻率有關(guān)。

　　圖 3.2 PCB 敷銅平面上高頻電流路徑

　　對傳輸線來說，感抗的返回路徑，也就是高頻電流返回路徑，就在信號布線的正下方的敷銅平面上，如圖 3.3。這樣的返回路徑使得整個(gè)回路包圍的空間面積，也就使得此信號形成的環(huán)形天線向空間輻射的磁場強(qiáng)度（或接收空間輻射的能力）。

　　對于比較長、直的布線，可以看作理想的傳輸線。在其上傳播的信號返回電流流經(jīng)范圍是以信號布線為中心軸的帶狀區(qū)域，距離信號布線中心軸距離越遠(yuǎn)，電流密度越小，

　　如圖 3.3。這一關(guān)系近似滿足式 3.3 ［4］：

　　式 3.3

　　其中， 為原始信號電流，單位為“A，安培”；

　　為信號布線與敷銅平面的距離，單位為“in.，英寸”；

　　為敷銅平面上的點(diǎn)到信號線的垂直距離，單位為“in.，英寸”；

　　是這一點(diǎn)上的電流密度，單位為“A/in.，安培每英寸”。

　　圖 3.3 傳輸線返回電流密度分布圖

　　根據(jù)式 3.3，表 3.1 列出了流經(jīng)以傳輸線中心為中心，寬度為 的帶狀區(qū)域內(nèi)的返回電流占所有返回電流的百分比。

　　假設(shè)英寸，則經(jīng)過距離傳輸線 0.035 英寸以外的區(qū)域返回的電流只占所有返回電流的 13％，具體分到傳輸線的一側(cè)只有 6.5％，而且密度很小。因此可以忽略不計(jì)。

　　小結(jié)：

　　1．當(dāng)信號布線下方具有連續(xù)、致密、完整的敷銅平面時(shí)，信號返回電流對敷銅平面的噪聲干擾是局部的。因此，只要遵循布局、布線局部化的原則，即人為地拉開數(shù)字信號線、數(shù)字器件與模擬信號線、模擬器件之間的距離到一定程度，可以大幅度降低數(shù)字信號返回電流對模擬電路的干擾。

　　2．高頻瞬態(tài)返回電流，經(jīng)由與信號走線緊鄰的平面（地平面或電源平面）回流到驅(qū)動(dòng)端。驅(qū)動(dòng)器信號走線的終端負(fù)載，跨接在信號走線和與信號走線緊鄰的平面（地平面或電源平面）之間。

　　3．當(dāng)印制板上的電源線和接地線的環(huán)繞區(qū)域越大時(shí)，它們的輻射能量也就越大，因此，我們通過控制回流路徑，可以使得環(huán)繞區(qū)域，從而控制輻射程度。

　　4 回流問題的解決方法

　　在 PCB 板上引起回流問題通常有三個(gè)方面：芯片互連，銅面切割，過孔跳躍。下面具體對這些因素進(jìn)行分析。

　　4．1 芯片互連引起的回流問題

　　當(dāng)數(shù)字電路工作時(shí)，將發(fā)生高、低電壓之間的轉(zhuǎn)換，這就引起瞬態(tài)負(fù)載電流從電源流入電路或由電路流入地線。

　　對于數(shù)字器件而言，它引腳輸入電阻可以認(rèn)為無窮大，相當(dāng)于開路（即下圖中的 i＝0），事實(shí)上，回路電流是通過芯片與電源和地平面產(chǎn)生的分布電容和分布電感來返回的。以下以集電極輸出電路作為輸出信號的內(nèi)部電路為例進(jìn)行分析。

　　4.1.1 驅(qū)動(dòng)端從低電平變化到高電平。

　　當(dāng)輸出信號由低電平跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，相當(dāng)于輸出引腳對傳輸線輸出一個(gè)電流，由于輸入電阻無窮大，我們認(rèn)為對于芯片而言，沒有電流從輸入管腿上流入即 ，那么，這個(gè)電流必須返回到輸出芯片的電源管腿上。

　　①信號走線與電源平面緊鄰。

　　驅(qū)動(dòng)端對信號走線和電源平面及終端負(fù)載構(gòu)成的傳輸線進(jìn)行充電，電流從驅(qū)動(dòng)器的電源管腳進(jìn)入器件，并從驅(qū)動(dòng)器輸出端流向負(fù)載端；

　　高頻瞬態(tài)返回電流在信號走線下方的電源平面上回流到驅(qū)動(dòng)器的輸出端，返回電流直接通過電源平面，從驅(qū)動(dòng)器的電源管腳進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器，構(gòu)成電流環(huán)路。

　?、谛盘栕呔€與地平面緊鄰。

　　驅(qū)動(dòng)器對信號走線和電源平面及終端負(fù)載構(gòu)成的傳輸線進(jìn)行充電，電流從驅(qū)動(dòng)器的電源管腳進(jìn)入器件，并從驅(qū)動(dòng)器輸出端流向負(fù)載端；

　　高頻瞬態(tài)返回電流在信號走線下方的地平面上回流到驅(qū)動(dòng)器的輸出端，返回電流必須借助在驅(qū)動(dòng)器輸出端的電源平面和地平面的耦合電容，從地平面跨越到電源平面，再從驅(qū)動(dòng)器的電源管腳進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器，構(gòu)成電流環(huán)路。

　　4.1.2 驅(qū)動(dòng)端從高電平變化到低電平，相當(dāng)于輸出引腳吸收傳輸線上的電流。

　?、?信號走線與電源平面緊鄰。

　　負(fù)載對信號走線和電源平面及驅(qū)動(dòng)器輸出端構(gòu)成的傳輸線進(jìn)行放電，電流從驅(qū)動(dòng)器的輸出管腳進(jìn)入器件，從驅(qū)動(dòng)器的地管腳流出，進(jìn)入地平面，并通過在驅(qū)動(dòng)器地管腳附近的電源平面和地平面耦合電容，跨越到電源平面，返回負(fù)載端；

　　高頻瞬態(tài)返回電流在信號走線下方的電源平面上回流到負(fù)載端，構(gòu)成電流環(huán)路。

　?、?信號走線與地平面緊鄰。

　　負(fù)載對信號走線和電源平面及驅(qū)動(dòng)器輸出端構(gòu)成的傳輸線進(jìn)行放電，電流從驅(qū)動(dòng)器的輸出管腳進(jìn)入器件，從驅(qū)動(dòng)器的地管腳流出，進(jìn)入地平面，返回負(fù)載端；高頻瞬態(tài)返回電流在信號走線下方的地平面上回流到負(fù)載端，構(gòu)成電流環(huán)路。

　　在驅(qū)動(dòng)器的輸出管腳、地管腳附近，應(yīng)當(dāng)布放電源平面和地平面的耦合電容，為返回電流提供返回通路，否則，返回電流將尋找近的電源平面和地平面的耦合途徑進(jìn)行回流（使得回流途徑難以預(yù)知和控制，從而對其他走線造成串?dāng)_）。

　　4．2 覆銅切割造成的回流問題解決辦法

　　地平面和電源平面可以減少電阻引起的電壓損失。如圖所示，回路電流經(jīng)過地流回，由于電阻 R1 的存在，勢必在 1 和 2 點(diǎn)產(chǎn)生電壓降，電阻越大，壓降越大，引起對地電平的不一致，如果有地層，可視為線寬無限大，電阻很小的信號線?；芈冯娏骺偸菑目拷盘柕牡貙由狭鬟^，當(dāng)?shù)貙硬恢挂粚訒r(shí)，如果信號處于兩層地平面之間而兩者又完全相同時(shí)，回路電流將等分在兩個(gè)平面上通過。

　　4.2.1．在布局、布線局部化的條件下，數(shù)字地平面與模擬地平面公用同一塊敷銅平面，即對數(shù)字地與模擬地不加區(qū)分，數(shù)字電路本身的噪聲并不會(huì)給模擬電路系統(tǒng)帶來額外的噪聲。

　　4.2.2．在數(shù)字、模擬混合電路系統(tǒng)中，數(shù)字地與模擬地的共地點(diǎn)選擇在板外，即兩敷銅平面完全獨(dú)立，使得數(shù)字電路與模擬電路之間的信號線不具備傳輸線的特征，給系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的信號完整性問題。數(shù)字電路與模擬電路采用同一個(gè)電源系統(tǒng)，地平面不加分割，在數(shù)字、模擬混合電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，在布局模塊化、布線局部化的基礎(chǔ)上，數(shù)字電路模塊和模擬電路模塊公用一個(gè)完整的、不加分割的電壓參考平面，不但不會(huì)增大數(shù)字電路對模擬電路的干擾，由于消除了信號線“跨溝”問題，能夠大幅度降低信號間的串?dāng)_和系統(tǒng)的地彈噪聲，提高了前端模擬電路的。

　　4．3 過孔造成的回流問題解決辦法

　　在印制板信號布線時(shí)，如果是多層板，很多信號必須通過換層來完成連接任務(wù)，這時(shí)就要用到大量的過孔，過孔對回流的影響有兩種：一是過孔形成溝槽阻斷回流，二是過孔造成的回流跳層流動(dòng)。

　　4.3.1．過孔形成的溝槽

　　在印制板信號布線時(shí)，如果是多層板，很多信號必須通過換層來完成連接任務(wù)，這時(shí)就要用到大量的過孔，如果過孔在電源或地平面排列比較密集，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)許多過孔連成一片的情況，形成所謂的溝，如圖所示。首先，我們應(yīng)該對這種情況進(jìn)行分析，看看是否回流需要經(jīng)過溝槽，如果信號的回流無需經(jīng)過溝槽，就不會(huì)對回流造成阻礙影響。如果回路電路要繞過這條溝返回，形成的天線效應(yīng)將急劇增加，對周邊信號產(chǎn)生干擾。通常我們可以在涂敷數(shù)據(jù)生成后，對過孔過密而形成溝槽的地方加以調(diào)整，使過孔之間留有一定的距離。

　　4.3.2．過孔形成的跳層現(xiàn)象

　　下面我們以六層板為例進(jìn)行分析。該六層板有兩個(gè)涂敷層，第二層為地層，第五層為電源層，因此表層和第三層的信號回流主要在地層；底層和第四層的回流主要在電源層，換層布線時(shí)有以下六種可能：表層《-----》第三層，表層《-----》第四層，表層《-----》底層，第三層《-----》第四層， 第三層《-----》底層，第四層《-----》底層，這六種可能的情況根據(jù)其回路電流的情況可以分為兩大類：回路電流在同一層上和在不同層上流動(dòng)的情況，即是否有跳層現(xiàn)象。

　　A．回路電流在同一層上流動(dòng)的情況包括表層《-----》第三層、第四層《-----》底層，如圖所示。在這種情況下，回路電流都在同一層上流動(dòng)，但是，由靜電感應(yīng)原理可知，處于電場中的完整的導(dǎo)體，其內(nèi)部電場強(qiáng)度為零，所有的電流均在導(dǎo)體表面流動(dòng)，地平面和電源平面實(shí)際上就是這樣一個(gè)導(dǎo)體。我們使用的過孔均為通孔，這些過孔經(jīng)過電源和地平面時(shí)留下的孔洞就給涂敷層上下表面的電流的流通通過了路徑，因此，這些信號線的回流途徑是很好的，無需采用措施來改善。

　　B. 回路電流在不同層上流動(dòng)的情況包括表層《-----》第四層、表層《-----》底層、第三層《-----》第四層、第三層《-----》底層。下面以表層《-----》底層和第三層《-----》第四層為例，分析其回流情況。具有跳層現(xiàn)象的信號，需要其在過孔密集區(qū)附近增加一些旁路電容，通常為 0.1uf 的磁片電容，用來提供一個(gè)回流通路的。