参考平面你选对了吗?

Q:四层板,层叠走TOP-GND-POWER-BOTTOM,做共面阻抗,参考第三层的话,刚好天线下面的第三层区域走的电源3V3,有影响吗?还是天线参考必须要是GND吗?

首先电源平面肯定是能做参考平面的,常见的DDR的六层板,一般都用了电源层作为DDR信号的参考平面,这个设计过的基本都不会迟疑。我们要弄明白的问题就是电源平面是否可以作为RF信号,高速信号的参考平面?在这里就分享下这个问题的一些见解和思路。

第一,我们需要弄清楚什么是参考平面?

首先很确定的它是一个平面,是一个完整的平面;以表层走线来说,走线和下面的平面层共同构成了电磁波传输的物理环境。走线下面的平面到底是什么网络属性无所谓,VCC、GND、甚至是没有网络的孤立铜皮,都可以构成这样的电磁波传输环境,关键在于下面的平面是导体就行了。信号路径是表层走线,所以下面的平面就是参考路径。对于PCB上这一特殊结构,参考路径是以平面的形式出现的,所以也叫参考平面。从电流回路的角度来说,参考平面承载着信号的返回电流,所以也叫返回平面。下面的图显示了表层走线的场分布和电流分布。

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以内层走线来说,走线、上方平面、下方平面3者共同构成了电磁波传输的物理环境,所以上下两个平面都是信号的参考路径,也就是参考平面,从下面的场分布图中可以很清楚的看到物理环境和场分布的关系。从构成电流回路的角度来看,下图的电流分布图也很清晰的显示出返回电流的分布,如果两个平面和走线之间的间距近似相等,那么两个平面上的返回电流也近似相等,此时,两个平面同样重要。从这个角度也能很好的理解两个平面都是参考平面。

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我们知道信号传输线的两个基本要素,信号路径以及参考路径,这里参考平面的作用应该很清楚了:作为电磁波传输物理环境的一部分(从电磁波传输角度)、作为电流返回路径(从电流回路角度)。简单点说,参考平面两个点:算阻抗和提供回流路径。所以如果只是单纯的满足阻抗一致要求,无论是GND平面还是电源平面都是可以的。但是一般情况下,参考平面主要是作为电流返回的路径。所以就有了下面的问题。

第二,信号是如何参考电源平面的?

前面已经分析过了,电源平面也是能作为参考平面算阻抗的,而下面将从电流返回路径上分析。

如下图一个四层板PCB信号通过过孔换层参考电源

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信号源以地平面作为参考平面时,回流路径当然是地平面,当高速信号在信号线上传播时,在信号电流向前传播的过程当中,由于与参考平面之间存在容性耦合,所以当发生dV/dt时,就会有电流经耦合电容流向参考平面的现象,传输线正下方位置都会有瞬态电流流回到源端电路。

但如果信号的参考为电源平面,那么信号回流将首先流向电源层,然后再通过电源与地网络之间的Cpg流向地网络,最后再经地层流向源端电路,最终形成一个完整的电流回路。我们都知道,控制好高速信号的回路阻抗非常关键,因为它直接影响到信号传输特性。

这里刚好涉及到三个知识点,可能大家平常没有注意:
1,高速信号换层处需要加回流地过孔,这里其实就是增加了垂直方向的回流路径,这个对于高速信号是非常有必要的。
2,高速信号换层后尽量还是同类型的参考平面,这点的好处其实在图片中就可以看出来。
3,当电源、地层之间存在足够的去耦电容后,其交流阻抗极小,交流信号可以在任何一层上传输。换言之,对于交流信号而言,电源、地层是没有区别的。

第三:高速信号能否参考电源层?

和地平面一样 电源平面也可以应用在低阻抗的信号返回路径 假如有足够多的旁路电容 那么电源平面传输会和地平面一样好 在一个电源面和地平面或者两个电源平面带状传输线也可以工作。但当信号参考电源层布线时,回流路径当中对信号影响最大的就是Cpg电源与地网络之间的容性通道。它可以是电源地网络上分布复杂的退耦电容,也可能包含电源地层平面之间的平板电容,构成非常复杂,在各个频点所表现的阻抗特性都不一样,难以量化与控制,所以这个假如很难成立。

即使离信号层近的是电源层,返回信号也会经由电源层最终返回到地层,因为信号输入时是以地为参考层的.但是如果去耦做得不好,电源层和地层之间的阻抗会很大,那么返回信号会受到很大的阻抗,

信号参考电源层会给信号质量带来影响,电源地层之间的阻抗会是影响的主要因素,信号频率越高,带来的影响会越明显。当然也不是所有信号都不能参考电源,具体多少频率什么信号可以参考电源,要看实际PCB设计以及PDN网络的实际情况,最好能利用仿真软件进行分析验证。

为什么有些信号设计指定要求参考它本身的电源层?

这是因为芯片内部信号参考的是电源,那么在PCB上参考电源会比较好,但多数芯片设计中高速信号都是参考地,所以在很多高速信号的设计指导当中都推荐参考地,虽然在高频带电源去耦电容显低阻抗特性,电源与地表现为等电位,但由于去耦电容位置摆放的问题可能会增大信号的回流面积,从而影响信号质量,所以对于多数高速信号,参考地位比较好的选择。

建议:高速信号建议参考地平面,至少有一个完整的地平面;另外电源平面需要与地平面紧耦合,即紧紧的挨在一起。

第四:RF射频信号能否参考电源层?

其实用高速信号能否参考电源层的理论也可以解释RF射频信号能否参考电源层的问题,从返回路径看,RF射频信号更不适合参考电源层。电源层与地层之间阻抗和耦合不好就会对RF信号产生的影响很大。要知道,电源层非真正的地,从EMI角度也不推荐用电源平面做微带线的地,信号返回地路径可能变得很长,也有可能受到干扰。另外,电源、地平面均能用作参考平面,且有一定的屏蔽作用,但相对而言,电源平面具有较高的特征阻抗,与参考电平存在较大的电位势差。从屏蔽的角度来看,地平面一般都做了接地处理,并作为基本电平参考点,其屏蔽效果远远优于电源平面。

那对于RF的电源怎么处理了?RF电路的电源尽量不要采用平面分割,整块的电源平面不但增加了电源平面对RF信号的辐射,而且也容易被RF信号的干扰。所以电源线或平面一般采用长条形状,根据电流的大小进行处理,在满足电流能力的前提下尽可能粗,但是又不能无限制的增宽。在处理电源线的时候,一定要避免形成环路。电源线和地线的方向要与RF信号的方向保持平行但不能重叠,在有交叉的地方最好采用垂直十字交叉的方式。

本文转载自:专治pcb疑难杂症(作者: PCB杨老师)
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