原创 EMC设计中信号回流的重要性

2022-9-22 21:55 153 1 1 分类: EDA/ IP/ 设计与制造
任何注入到系统中的电流最终都要回到源端。因此,信号不仅仅是在信号线上传播,同时也是在参考平面上传播,如下图所示。所以保持参考平面的完整和低阻抗,与保持信号线的完整和低阻抗对系统同样重要。


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1.信号在信号线参考平面上传送


在传统的低速设计中,系统中的回路电流沿着最小的电阻路径回流,而在高速系统中,电流沿着最小的阻抗回路回流。在高频下,回路的电感表现出的感抗远远大于其本身的电阻值,因此最小阻抗路径也就是最小电感的路径。通常情况下,最小电感的路径就在信号线的正下方,如下图:

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2.高频回流电流沿最小电感路径回流


我们把提供给信号线回路电流的媒介称作参考平面。在实际系统中,参考平面可以用VCC,也可以用GND,重要的一点是要保证参考平面的连续性。一对差分信号之间可以互为参考,它们对参考平面的依赖没有那么强,买元器件现货上唯样商城。


如果在PCB上,信号的参考平面出现较大的不连续区域,如一条沟壑,那么在这个沟壑处,信号的回路电流无法通过紧贴信号走线线面的路径传送,而是必须绕开这个沟壑。这样就给回流路径增加了感抗,使得接收端信号的高频分量衰减严重,甚至出现台阶。如下图:
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3.回路不连续


在设计中尽量不要让信号的回路中存在沟壑,如果沟壑是不可避免的,可以在沟壑的两端放置一些去耦电容,构成一个跨越沟壑的交流通路,提供给高速的回路电流。


另一种常见的回路不连续的情况是信号在不同参考平面之间切换,同样会给电源系统引入噪声。下图所示为4层PCB结构,信号首先在第一层传输,然后通过一个过孔转到第四层继续传输,第二层和第三层为参考平面。当信号在第一层时,回路电流在信号路径对面的参考层第二层传播,当信号在第四层时,回路电流同样在信号路径对面的参考层第三层传输。那么当信号穿过信号过孔时,回路电流如何从第三层传到第二层呢?
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4.信号切换参考平面


如果参考平面之间没有直流通路,回路电流只能通过两个平面之间的容性耦合传递。在下图中,我们可以清楚的看到回路电流是如何从第三层耦合到第二层的。


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5.回路电流通过平面之间的容性耦合传递


由于平面之间的耦合程度有限,回路电流在跃迁过程中,将遇到较大的阻抗。因此回路电流在这里将在两个平面上产生一个感应噪声,传播到系统的其他地方。由于这个噪声非常类似于地弹噪声,因此又将其称为回路地弹。那么,如何减小回路地弹噪声呢?


如果这两个平面具有同样的电势,例如它们都是地平面,那么最直接有效的方法就是在信号过孔附近加上几个地过孔,直接连接两个平面,如下图所示,使回路电流就近通过这几个过孔,保持回路的连续性。
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6.利用地过孔减小回路电感


如果这两个平面的电势不一样,例如一个是VCC,另一个是GND,那么要减弱这个回路地弹噪声对电源系统造成的影响,两个平面之间增加一些去耦电容,为回路电流提供一个低阻抗的瞬态交流回路。

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