2018R&S IoT电子产品EMC设计与测试技术研讨会

高速电路回流路径分析(下)

2017-1-21 12:07 8027 0
简介
实际上,基本电路理论告诉我们,信号是由电流传播的,明确的说,是电子的运动,电子流的特性之一就是电子从不在任何地方停留,无论电流流到哪里,必然要回来,因此电流总是在环路中流动,电路中任意的信号都以一个闭 ...


接:高速电路回流路径分析(上)



4.回流问题的解决办法

      在PCB板上引起回流问题通常有三个方面:芯片互连,铜面切割,过孔跳跃。下面具体对这些因素进行分析。

4.1芯片互连引起的回流问题

       当数字电路工作时,将发生高、低电压之间的转换,这就引起瞬态负载电流从电源流入电路或由电路流入地线。

       对于数字器件而言,它引脚输入电阻可以认为无穷大,相当于开路(即下图中的i=0),事实上,回路电流是通过芯片与电源和地平面产生的分布电容和分布电感来返回的。以下以集电极输出电路作为输出信号的内部电路为例进行分析。

1、驱动端从低电平变化到高电平。当输出信号由低电平跳变为高电平时,相当于输出引脚对传输线输出一个电流,由于输入电阻无穷大,我们认为对于芯片而言,没有电流从输入管腿上流入即 ,那么,这个电流必须返回到输出芯片的电源管腿上。

①信号走线与电源平面紧邻。

       驱动端对信号走线和电源平面及终端负载构成的传输线进行充电,电流从驱动器的电源管脚进入器件,并从驱动器输出端流向负载端;
       高频瞬态返回电流在信号走线下方的电源平面上回流到驱动器的输出端,返回电流直接通过电源平面,从驱动器的电源管脚进入驱动器,构成电流环路。

②信号走线与地平面紧邻。

       驱动器对信号走线和电源平面及终端负载构成的传输线进行充电,电流从驱动器的电源管脚进入器件,并从驱动器输出端流向负载端;

         


高频瞬态返回电流在信号走线下方的地平面上回流到驱动器的输出端,返回电流必须借助在驱动器输出端的电源平面和地平面的耦合电容,从地平面跨越到电源平面,再从驱动器的电源管脚进入驱动器,构成电流环路。


2、驱动端从高电平变化到低电平,相当于输出引脚吸收传输线上的电流。


① 信号走线与电源平面紧邻。

负载对信号走线和电源平面及驱动器输出端构成的传输线进行放电,电流从驱动器的输出管脚进入器件,从驱动器的地管脚流出,进入地平面,并通过在驱动器地管脚附近的电源平面和地平面耦合电容,跨越到电源平面,返回负载端;


高频瞬态返回电流在信号走线下方的电源平面上回流到负载端,构成电流环路。


② 信号走线与地平面紧邻。


       负载对信号走线和电源平面及驱动器输出端构成的传输线进行放电,电流从驱动器的输出管脚进入器件,从驱动器的地管脚流出,进入地平面,返回负载端;高频瞬态返回电流在信号走线下方的地平面上回流到负载端,构成电流环路。


           

 在驱动器的输出管脚、地管脚附近,应当布放电源平面和地平面的耦合电容,为返回电流提供返回通路,否则,返回电流将寻找最近的电源平面和地平面的耦合途径进行回流(使得回流途径难以预知和控制,从而对其他走线造成串扰)。


4.2覆铜切割造成的回流问题解决办法


      地平面和电源平面可以减少电阻引起的电压损失。如图所示,回路电流经过地流回,由于电阻R1的存在,势必在1和2点产生电压降,电阻越大,压降越大,引起对地电平的不一致,如果有地层,可视为线宽无限大,电阻很小的信号线。回路电流总是从最靠近信号的地层上流过,当地层不止一层时,如果信号处于两层地平面之间而两者又完全相同时,回路电流将等分在两个平面上通过。


                        


1.在布局、布线局部化的条件下,数字地平面与模拟地平面公用同一块敷铜平面,即对数字地与模拟地不加区分,数字电路本身的噪声并不会给模拟电路系统带来额外的噪声。


2.在数字、模拟混合电路系统中,数字地与模拟地的共地点选择在板外,即两敷铜平面完全独立,使得数字电路与模拟电路之间的信号线不具备传输线的特征,给系统带来严重的信号完整性问题。数字电路与模拟电路采用同一个电源系统,地平面不加分割,在数字、模拟混合电路系统的设计中,在布局模块化、布线局部化的基础上,数字电路模块和模拟电路模块公用一个完整的、不加分割的电压参考平面,不但不会增大数字电路对模拟电路的干扰,由于消除了信号线“跨沟”问题,能够大幅度降低信号间的串扰和系统的地弹噪声,提高了前端模拟电路的精度。


                        


4.3过孔造成的回流问题解决办法


 在印制板信号布线时,如果是多层板,很多信号必须通过换层来完成连接任务,这时就要用到大量的过孔,过孔对回流的影响有两种:一是过孔形成沟槽阻断回流,二是过孔造成的回流跳层流动。


1.过孔形成的沟槽


      在印制板信号布线时,如果是多层板,很多信号必须通过换层来完成连接任务,这时就要用到大量的过孔,如果过孔在电源或地平面排列比较密集,有时候会出现许多过孔连成一片的情况,形成所谓的沟,如图所示。首先,我们应该对这种情况进行分析,看看是否回流需要经过沟槽,如果信号的回流无需经过沟槽,就不会对回流造成阻碍影响。如果回路电路要绕过这条沟返回,形成的天线效应将急剧增加,对周边信号产生干扰。通常我们可以在涂敷数据生成后,对过孔过密而形成沟槽的地方加以调整,使过孔之间留有一定的距离。


                     


2.过孔形成的跳层现象


下面我们以六层板为例进行分析。该六层板有两个涂敷层,第二层为地层,第五层为电源层,因此表层和第三层的信号回流主要在地层;底层和第四层的回流主要在电源层,换层布线时有以下六种可能:表层<----->第三层,表层<----->第四层,表层<----->底层,第三层<----->第四层, 第三层<----->底层,第四层<----->底层,这六种可能的情况根据其回路电流的情况可以分为两大类:回路电流在同一层上和在不同层上流动的情况,即是否有跳层现象。

A.回路电流在同一层上流动的情况包括表层<----->第三层、第四层<----->底层,如图所示。在这种情况下,回路电流都在同一层上流动,但是,由静电感应原理可知,处于电场中的完整的导体,其内部电场强度为零,所有的电流均在导体表面流动,地平面和电源平面实际上就是这样一个导体。我们使用的过孔均为通孔,这些过孔经过电源和地平面时留下的孔洞就给涂敷层上下表面的电流的流通通过了路径,因此,这些信号线的回流途径是很好的,无需采用措施来改善。


B.回路电流在不同层上流动的情况包括表层<----->第四层、表层<----->底层、第三层<----->第四层、第三层<----->底层。下面以表层<----->底层和第三层<----->第四层为例,分析其回流情况。具有跳层现象的信号,需要其在过孔密集区附近增加一些旁路电容,通常为0.1uf的磁片电容,用来提供一个回流通路的。


                  


全文完


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