在走線路徑上使用通孔(via),是任何高速傳輸技術(shù)極關(guān)切的課題,,因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生電磁干擾和串音。此外,,在分離的平面之間,,絕不能發(fā)生互相重迭(overlay),這是PCB電路設(shè)計(jì)者最關(guān)心的問題之一,。本文將介紹多層通孔,、跳接、接地走線的概念及其之間關(guān)系,,與各種分離平面的布線技巧,,并說明可隔離電源和接電平面的鐵粉芯(ferrite)材質(zhì)之效能特性。
多層通孔
當(dāng)要將頻率(clock)訊號(hào)或高威脅性訊號(hào)由來源端繞線(routing)至負(fù)載端時(shí),,通常會(huì)經(jīng)過走線(trace)到達(dá)一個(gè)繞線平面(routing plane),,例如:X軸,然后經(jīng)過相同的走線到達(dá)另一個(gè)平面----例如:Y軸,。而且假設(shè)每一個(gè)走線是與一個(gè)射頻回傳路徑(RF return path)緊鄰,則沿著全部的走線路徑,,就可以與共模射頻電流(common-mode RF current)緊密耦合,。不過,在實(shí)務(wù)上,,這種假設(shè)只有一部份是正確的,。
當(dāng)一個(gè)訊號(hào)走線從一電路層跳至另一電路層時(shí),射頻回傳電流應(yīng)該沿著走線路徑流動(dòng),。當(dāng)一個(gè)走線在兩個(gè)平面結(jié)
構(gòu)之間,,穿過一個(gè)PCB時(shí),通常會(huì)將它們視為電源平面和接地平面,,或者說這兩個(gè)平面具有相同的電位,,而回傳電流在這兩個(gè)平面之間共享?;貍麟娏魑ㄒ豢梢栽谶@兩個(gè)平面之間跳接(jump),,是在去耦合電容的位置上。如果這兩個(gè)平面具有相同的電位,,例如:0V(參考電壓),,則射頻回傳電流將會(huì)在連接兩平面的通孔處發(fā)生跳接,而此通孔是供給一個(gè)組件使用,。
當(dāng)從一個(gè)水平層跳接至一個(gè)垂直層,,射頻回傳電流是無法完全如此跳接的。這是因?yàn)樵谧呔€路徑上,,有一個(gè)「不連續(xù)(discontinuity)」,,那就是通孔,。回傳電流現(xiàn)在必須尋找一個(gè)替代的低電感(阻抗)路徑,,如此才能完成它的回路,。這個(gè)替代路徑可能不在通孔旁邊,結(jié)果,,在訊號(hào)走在線的射頻電流可能會(huì)耦合至其它電路中,,并產(chǎn)生串音(crosstalk)和電磁干擾的問題。下列的設(shè)計(jì)技巧,,能夠有效地減少因?yàn)殡娐穼又g的跳接所產(chǎn)生的串音和電磁干擾問題:
1. 首先,,只在一個(gè)繞線層對(duì)所有的頻率訊號(hào)和高威脅性訊號(hào)做繞線,也就是說:X軸和Y軸回路都是在相同的平面上,。PCB電路設(shè)計(jì)者可能會(huì)放棄這個(gè)技巧,,因?yàn)樗鼛缀鯚o法支持「自動(dòng)繞線(autorouting)」。
2. 一個(gè)固定的射頻回傳路徑必須緊鄰繞線層,。而且,,不因?yàn)槭褂猛谆蜃呔€跳接到另一個(gè)繞線平面,而造成回路不連續(xù),。
如果必須在水平和垂直的繞線平面之間,,使用一個(gè)通孔來繞線,設(shè)計(jì)者必須在每一個(gè)通孔位置使用接地通孔(率先將接地通孔應(yīng)用到PCB的人是W. Michael King),,訊號(hào)軸是在這些位置上跳接的,。接地通孔的電位永遠(yuǎn)是0V。
接地通孔是直接與每個(gè)訊號(hào)回路通孔相鄰,,從水平平面繞至垂直平面,。只有當(dāng)PCB內(nèi)部具有一個(gè)以上的0V參考平面時(shí),才能使用接地通孔,。這個(gè)通孔和所有的接地平面(0V 參考電壓)連接,,成為訊號(hào)跳接電流的射頻回傳路徑。本質(zhì)上,,這個(gè)通孔和0V參考平面結(jié)合在一起,,并和訊號(hào)走線的位置相鄰并行。當(dāng)每一個(gè)訊號(hào)走線的通孔使用兩個(gè)接地通孔時(shí),,將會(huì)有一個(gè)連續(xù)的射頻回傳路徑存在,,射頻回傳電流會(huì)在它上面流動(dòng)。這個(gè)接地通孔將維持一個(gè)固定的射頻回傳路徑(經(jīng)由映像平面),,與訊號(hào)回路完全相鄰,。
當(dāng)只存在一個(gè)0V參考(接地)平面,而且替代平面的電壓是一般PCB四層板常使用的值時(shí),,會(huì)發(fā)生什么事呢,?為了維持一個(gè)固定的射頻回傳路徑,,此時(shí),0V參考平面必須充當(dāng)為主要的回傳路徑,。訊號(hào)走線必須穿過這個(gè)0V參考平面,。當(dāng)走線必須穿過電源平面時(shí),就必須使用接地走線,;在接地走線的兩端使用通孔,,與訊號(hào)走線平行,穿過電源平面,,與0V參考平面連接,。使用這種方法,就可以維持一個(gè)固定的射頻回傳路徑,。如附圖一所示,。
圖一:PCB四層板的接地走線之繞線
當(dāng)必須在電路層之間跳接時(shí),要如何才能減少使用接地通孔呢,?在正確的PCB電路設(shè)計(jì)中,,最優(yōu)先的是頻率訊號(hào)的繞線,它是屬于「人工繞線」,。在對(duì)這些優(yōu)先的少數(shù)走線(例如:所有的頻率訊號(hào)和高威脅性訊號(hào))做繞線時(shí),,PCB電路設(shè)計(jì)者的選擇是比較多的,他們可以使用最短的走線距離(shortest Manhattan length)來繞線,,使跳接位置緊鄰組件的接地通孔。此跳接將共享該組件的接地腳位之通孔,。對(duì)這組件而言,,此接地通孔將提供0V參考電壓,并允許射頻回傳電流產(chǎn)生一個(gè)跳接,。如附圖二所示,。
圖二:優(yōu)先的少數(shù)走線之人工繞線范例
分離平面
當(dāng)使用多層板的PCB時(shí),位于同一平面上的電源平面和接地平面有時(shí)會(huì)被分開,。例如:將模擬電路和數(shù)字邏輯分開,、I/O互連電路的隔離、不同參考電壓的分割(例如:將+5V區(qū)域和-48V區(qū)域分割),、組件的隔離,,但這些都需要射頻回傳路徑。經(jīng)定義好的射頻回傳路徑可以被比喻為一個(gè)道路路線圖,,射頻回傳電流只在已經(jīng)定義好的路徑上流動(dòng),。
如果在一個(gè)平面上發(fā)生重迭,則必須在重迭的區(qū)域之間使用電容(大小是有限值),。如附圖三所示,,C1允許射頻能量(是一個(gè)交流波形),,穿過一個(gè)噪聲平面,到達(dá)一個(gè)分開的,、隔離的,、安靜的平面,這是很糟糕的設(shè)計(jì),。這些平面的直流電壓是不變的,,因?yàn)樵谶@些平面之間,有使用濾波器來傳遞直流電壓,。
如果需要隔離特定的高頻電路,,可以使用「鐵粉芯導(dǎo)線(ferrite bead-on-lead)」,而不是電感,,來隔離電源平面,,或?qū)㈦娫雌矫婧徒拥仄矫娓綦x。不過,,使用這種方法時(shí),,必須很小心。如果兩平面都包含了高頻的射頻噪聲,,則通常要將電源平面和接地平面隔離,。如果數(shù)字區(qū)域和模擬區(qū)域都需要一個(gè)共同的接地平面,而且需要模擬電源,,則只能使用鐵粉芯導(dǎo)線來銜接分割的電源平面,。
當(dāng)PCB內(nèi)出現(xiàn)分離平面(split plane)時(shí),共同的接地平面必須直接位于離散濾波組件下方,。所有訊號(hào)走線必須緊鄰此接地平面,;而此濾波組件正是所謂的「橋接器(bridge)」。如此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是:可以維持0V參考(映像)平面的完整性,。這是控制高頻EMI所必需的,,還可以提供一個(gè)最佳的射頻回傳路徑。
為什么不能使用電感呢,?這從附圖四中,,可以得到答案。在直流電壓或低頻訊號(hào)的范圍內(nèi),,鐵粉芯的阻抗趨近于0,,這對(duì)直流電壓和低頻訊號(hào)而言,可以忽略不計(jì),,亦即,,鐵粉芯導(dǎo)線好像不存在一樣。但當(dāng)達(dá)到高頻的范圍時(shí),,在供電線路中會(huì)產(chǎn)生射頻電流,,此時(shí),,鐵粉芯的電阻會(huì)持續(xù)增加,阻抗也因此直線上升,。直到某個(gè)特定的頻率值,,鐵磁材質(zhì)停止作用,阻抗也維持在最高值,,不再變化,。這是像鐵粉芯這種鐵磁材料所特有的物理特性。
本質(zhì)上,,鐵粉芯具有一個(gè)大的射頻電阻,,可以阻絕射頻能量在兩個(gè)分離區(qū)域之間傳輸。而電感具有一個(gè)大的電感值(L),,它的感抗(inductive reactance)值是jωL,。但在傳輸路徑上,感抗是最不被歡迎的,。在電感兩端會(huì)存在寄生電容,,而且,在電感線圈和0V參考平面之間也會(huì)有電容存在,。由于L和C的作用,,于是一個(gè)諧振(resonant)電路就這樣產(chǎn)生了。藉此,,在達(dá)到某個(gè)特定頻率時(shí),,射頻電流可以在兩個(gè)隔離區(qū)域之間流動(dòng),而這些射頻電流會(huì)影響電路的正常功能,。因此,,供電線路或高頻電路必須經(jīng)過鐵粉芯過濾。
圖三:各種不同的分離平面
如果一個(gè)分離平面只包含低頻電路(模擬),,而另一個(gè)分離平面具有高頻的交換電路(數(shù)字),這時(shí)通常需要使用鐵粉芯將它們之間的電源平面和接地平面隔離,。不過,,這得依照產(chǎn)品的功能和廠商對(duì)電源和平面隔離的需要而定。當(dāng)不允許高頻能量在兩區(qū)域之間傳輸時(shí),,才需要使用這種技術(shù),。如果兩區(qū)域都僅包含低頻組件,而且不會(huì)受到高頻的射頻能量之威脅(例如:因高速切換所產(chǎn)生的噪聲),,則不需要使用鐵粉芯組件,,只要使用「單點(diǎn)接地(single-point ground)」(單點(diǎn)共同接地)即可。
圖四:鐵粉芯的效能特性