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您應(yīng)該使用電源平面作為返回路徑嗎？
您應(yīng)該使用電源平面作為返回路徑嗎？
電源層和接地層不僅對(duì)電源和返回電源的分配很重要。在定義參考平面時(shí)，通過阻抗控制布線和管理返回路徑，您的疊層可能會(huì)強(qiáng)制返回電流在耦合回接地層之前進(jìn)入電源平面。讓我們來看看一些使用電源平面作為返回路徑來控制 PCB 中返回路徑的良好做法。
以電源平面作為返回路徑的信號(hào)行為
除非您想在EMI 敏感性、瞬態(tài)振鈴和一致阻抗方面遇到問題，否則您需要仔細(xì)管理與參考平面的距離。如果您可以選擇使用電源層或接地層作為返回路徑或信號(hào)參考，則應(yīng)始終選擇接地層。這有兩個(gè)原因，我將在下面更詳細(xì)地解釋。
首先，即使返回電流進(jìn)入電源層，它最終也需要接地。其次，當(dāng)您采用信號(hào)-電源-信號(hào)-接地層布置時(shí)，不需要的干擾和開關(guān)噪聲會(huì)在電源層和附近的信號(hào)層之間耦合。稍微好一點(diǎn)的安排是在層堆棧中使用信號(hào)電源接地信號(hào)。電源層仍將用作返回層，但返回路徑仍可作為位移電流返回接地。
在具有密集組件布局和布線的高速電路板中，通常應(yīng)避免將電源平面或電源軌用作返回路徑的情況。對(duì)于敏感電源軌尤其如此，例如用于為模擬收發(fā)器、PLL、脈沖驅(qū)動(dòng)器電路或其他對(duì)抖動(dòng)和其他噪聲問題特別敏感的組件供電的電源軌。
具有多個(gè)電源平面的首選堆疊
盡管您可以將電源平面用作信號(hào)的阻抗參考和返回路徑，但您需要在附近放置一個(gè)接地平面，以防止在如下所示的層堆棧類型中的層之間發(fā)生耦合。頂部信號(hào)層耦合到電源層（藍(lán)色），底部信號(hào)層耦合到接地層（紅色）。
層堆棧的類型可以允許噪聲從信號(hào)層 1 耦合到信號(hào)層 3。
這種層排列并不理想，因?yàn)槟袃蓚€(gè)相鄰的信號(hào)層，這可能會(huì)促進(jìn)串?dāng)_。它還允許開關(guān)噪聲從信號(hào)層 1（表面層）電容耦合到信號(hào)層 3。更好的安排是使用 8 層板代替，在表面層下方有兩個(gè)接地層，另一個(gè)在內(nèi)部信號(hào)層之間層。
通常，由于信號(hào)走線的尺寸小，相鄰層之間的寄生電容可能非常小，從而在電源層和接地層中的任何返回電流之間創(chuàng)建了一個(gè)有點(diǎn)高阻抗的返回路徑。在電源平面和接地平面中的任何返回電流之間提供低阻抗返回路徑的正常方法是在電源/接地平面之間放置一個(gè)去耦/旁路電容器。當(dāng)處理更高頻率的信號(hào)時(shí)，通過旁路電容器的路徑將比電源層、信號(hào)層 3 和 4 以及最終接地層之間的路徑具有更低的阻抗。您使用的旁路電容器的大小應(yīng)設(shè)置為具有高于電路板相關(guān)帶寬邊緣的自諧振頻率。
在需要復(fù)雜電源分配或使用在不同級(jí)別運(yùn)行的組件的系統(tǒng)中，一種做法是使用兩個(gè)或更多電源層。一個(gè)示例是使用 5 V 有源組件和 3.3 V MCU/FPGA/ASIC 或類似組件的電路板。兩個(gè)穩(wěn)壓器將用于通過每個(gè)電源平面供電，并且這些平面中的每一個(gè)都需要參考一個(gè)或多個(gè)接地平面。你在你的疊層層布置是用于防止開關(guān)噪聲信號(hào)層之間穿過的關(guān)鍵。
當(dāng)多個(gè)電源平面與高速設(shè)備一起使用時(shí)，最好增加層數(shù)并為每個(gè)電源平面分配自己的接地平面。這在使用混合信號(hào)板時(shí)尤為重要，因?yàn)樵诓煌盘?hào)層之間提供屏蔽、電源/接地層之間的強(qiáng)耦合以及接地層中的可靠返回路徑變得更加容易。FPGA 制造商可能會(huì)建議對(duì)具有不同信號(hào)電平或混合信號(hào)板的相鄰電源層和接地層使用以下布置。
多個(gè)電源平面的示例堆疊。
這允許將返回路徑直接發(fā)送到接地層，而不是允許它通過電源層耦合到附近的信號(hào)層。這可以防止信號(hào)之間的不必要干擾。
要點(diǎn)：設(shè)計(jì)您的返回路徑
無論您允許信號(hào)先耦合回電源層，然后再耦合到地層，還是直接耦合回地層，您都需要仔細(xì)設(shè)計(jì)您的返回路徑，以防止任何返回信號(hào)之間出現(xiàn)不需要的耦合。這里的重要一點(diǎn)是，當(dāng)電路板連接回接地層時(shí)，電路板中的任何電路都是完整的，無論這種耦合是直接耦合、通過去耦/旁路電容器還是由于層間電容。
雖然您可以在技術(shù)上利用電源平面作為屏蔽層和參考平面（假設(shè)信號(hào)軌道和電源平面之間的電位差不是 0 V），但通常很難控制返回路徑。對(duì)于高速/高頻板尤其如此。在以低信號(hào)電平運(yùn)行的更高級(jí)設(shè)計(jì)中，您可能使用差分對(duì)，在這種情況下，返回路徑由差分驅(qū)動(dòng)提供，即，它與高信號(hào)軌跡平行流動(dòng)。