高速PCB镜像层设计

kakaci

[sell=1]  现在的高速电路系统大多采用多层板， 而且许多电路系统有多种工作电源， 这就对镜像层设计尤其是如何处理多个电源(地)层之间的关系提出了严格的要求。另外，有些系统也需要在器件层设计特殊的敷铜平面以抑制振荡器产生的RF能量以及为大功率电源器件提供良好的散热。

一、镜像层的作用
      镜像层是PCB内部临近信号层的一层敷铜平面(电源层、接地层)，主要有以下作用：

降低回流噪声和电磁干扰(EMI)。镜像层可以为信号回流提供低阻抗路径，尤其在电源分布系统中有大电流流动时，镜像层的作用更加明
显。另外，镜像层的存在减少了信号和回流形成的闭合环的面积，降低了EMI。
有助于控制高速数字电路中信号走线之间的串扰问题。串扰由比率D／H决定，D为干扰源与受扰对象之间的距离，H为信号线距镜像层的高度，通过改变H，可以控制比率D／H， 就可以控制信号线问的串扰问题。
有利于阻抗控制。印制导线的特性阻抗与导线的宽度和导线距镜像层的高度有关。如果没有镜像层，我们很可能无法控制阻抗， 从而无法匹配传输线，导致信号的反射。
    另外， 镜像层还可以控制辐射向板外的噪声。当然，光有镜像层是不足以起到这些作用的， 必须辅以严格的设计规则才能达到预期目标。我们可以这样描述：在高速数字电路中，为了控制噪声镜像层是必须的，但光有镜像层还是不够的。

二、信号回流的层间跳转
    多层PCB中，每个布线层都应该和一个镜像层相邻， 信号的返回电流在其对应的镜像层上流动。当从源到负载的信号线无法在一个布线层走通时，通常采取的做法是先使信号线连接到一个布线层(例如x轴)，然后再利用通孔将这条信号线连接到另一层(例如Y轴)。那么， 当信号线从一层跳到另一层时， 返回电流也应该跟随着线路从一层跳转到另一层。如果这两个层都是地层， 返回电流可以经连接两个层的通孔或器件的接地管脚实现跳转。
     如果一个是电源层另一个是地层， 则返回电流在这两个层之间跳转的唯一机会就是放置去耦电容的位置。假若跳转点附近没有去耦电容或者连接地层的通孔， 返回电流就必须绕到远处实现跳转， 结果使得返回电流耦合到其他电路，引起串扰和电磁干扰问题。
     所以PCB设计时，应尽量使层间跳转在临近器件的接地管脚或者去耦电容附近进行，如果无法做到这一点，可以通过在跳转点附近放置地通孔(返回电流在两地层跳转)或者旁路电容(电源层和地层之间跳转)来实现返回电流的跳转。

三．镜像层的分割
    使用多层PCB的结构时，有时需要在镜像层上产生一定宽度的无铜片区域()将一个完整的镜像层隔裂为相互独立的几部分，这就是镜像层分割。镜像层分割一般用于防止噪声进入敏感电路以及不同参考电压之间的隔离， 例如阻止数字噪声进入模拟部分、音频部分、I／O区域，5V与3.3V电源电压的隔离。镜像层分割有完全分割和不完全分割两种， 完全分割指的是分割后的电源层之间、地层之间完全隔绝，不完全分割是指电源层之间完全隔绝而地层通过“桥”相连。对镜像层采取完全分割或不完全分割取决于这些被分隔的平面间是否有信号相连。

3.1镜像层分割实例
    图1是某测试平台中涉及的数模混合电路部分的镜像层设计。视频模拟输入经过AD变换后传送给FPGA处理，然后作DA变换输出，AD和DA部分使用独立的电源器件供电。在这个板卡上大部分都是数字器件，模拟器件仅占小部分。但是它们都是比较关键的部分，如果它们的正常工作受到影响将对整个系统的性能造成极大的破坏作用，因此对这些部分的处理是非常关键的。我们希望数字部分的噪声不会进入模拟部分，但是AD和DA转换器都有信号连到数字部分的FPGA上，为了不影响这些相连信号的回流，我们将数字电源和模拟电源完全隔绝，而数字地和模拟地采取不完全分割，使数字部分对模拟部分的影响降到最低。所有由数字部分到模拟部分的线路都必须经过桥，桥的开口大小应该
刚好满足所需导线通过的要求，这样数据信号的回流就可以通过桥直接返回，避免了绕圈寻求返回路径而造成对其它信号的干扰。此平台的PCB设计中．AD部分和DA部分的地也是隔离的。

                               
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    参考资料[2]给出了镜像层完全分割的实例。

3.2像层分割应注意的几个问题
3.2.1隔离层重叠
   多层PCB中，通常会通过镜像层分割来隔离不同的电源。一般情况下，与这些电源相对比的地层也是相互隔离的，即每个电源都有自己独立的参考层。PCB设计时必须保证不发生隔离层重叠的情况。举个例子，绝大部分多层PCB中，模拟部分和数字部分的电源和地层都是分离的，PCB设计的时候不能让模拟电源层和数字地层在空间上重叠，如图2所示。如果出现重叠的隔离层，就会在重叠区域形成一个小的平板电容c1，这个电容会让RF能量从一个层传输到另一个隔离的、静止的和独立的层，降低隔离的有效性。

                               
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3.2.2去耦电容放置
   为了滤除高速器件产生的高频噪声，电路板上有很多的去耦电容。如果在PCB上有镜像层分割的话，布线时可能会出现去耦电容的地管脚并不是与其相对应的地层而是同别的参考地层相连的情况。这种错误可能经常会发生，其结果同隔离层重叠一样，导致噪声从一层耦合到另一层，并且解决起来比较麻烦，所以必须在设计阶段避免。仍以数模混合电路来举例，模拟电源通过铁氧体磁珠l1从数字部分引入，c1为数字部分的去耦电容。图3a中c1的电源管脚同数字电源相连而地管脚同模拟地相连，为错误的连接方式，导致数字高频噪声耦合到比较敏感的模拟部分，图3b为正确的去耦电容连接方式。

                               
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3.2.3单点接地
   当不同电源的参考层连接到一起时，必须保证单点连接。仍以数模混合电路举例，我们的电路板分为数字部分和模拟部分，而且数字地和模拟地有两个或两个以上连接点，那么噪声信号很可能通过这两个连接点在这两参考层之间形成循环，这就是我们经常提到的“地环路”。地环路可以引起噪声、EMI，能量的损耗以及散热问题。
    地环路的解决办法非常简单，只要参考层之间仅有一个连接点，无法形成环路即可。

四、局部接地层
   局部接地层属于镜像层的一部分，是置于PCB器件(顶)层上的一块敷铜，与PCB内部接地层直接相连，用于捕获一些关键芯片(如振荡器)内部产生的RF磁通量或者用作电源散热。通常芯片如果需要局部接地层，芯片制造商会在数据手册中给出一些比较好的建议。
   为了得到良好的性能，振荡器、晶振和时钟支撑电路都应该被安装在这样一个单独的局部接地层上。这是因为：

如果振荡器的封装是一个金属壳，由于振荡器类型的不同，封装内部产生的射频电流可能很大，以至于它的接地管脚无法有效地将该大电流(为管脚引线电感)以低损耗方式引到地，于是这个金属盒变成了一个单极性天线。
如果振荡器是表面安装器件，上述情况会变得更糟，因为SMT封装通常是塑料，阻止了RF电流被引向接地点，封装内部产生的RF电流能够辐射到自由空间并耦合到其它器件。
振荡器一般都会驱动时钟缓冲器，这种缓冲器通常是超高速、快边缘速率的器件，会产生大量RF电流， 可能导致电路功能失效。
     如果在振荡器和时钟电路下安装局部接地层，就可以提供一个镜像层，捕获振荡器内部和相关电路产生的RF能量， 这样就减少了RF辐射。图4是一个局部接地层的例子。局部接地层位于PCB顶层上，通过振荡器和时钟驱动器件的地管脚以及一些地通孔与内部接地层直接相连。为了给振荡器提供一个较为稳定可靠的电源， 进入振荡器的电压使用铁氧体磁珠l1和电容c2进行滤波。铁氧体磁珠l1本质上是一个大的RF电阻，用来阻止外部的RF能量进入振荡器，而电容c2为RF电流提供了另外一条流向地平面的低阻抗通道。

                               
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      一些电源也要求有局部接地层来散热。图5 是某测试平台上电源TPS54810的PCB设计方案。TPS54810是TI公司生产的一种DC-DC调节器，输入电压为5V，输出电压从0.9V到3.3V可调，精度可达到1％ 以内，其部分管脚使用说明如表1所示。在本测试平台中TPS54810输出电压为1.2V，通过内部电源层供给FPGA。由于TPS54810输出电流较大，最大可高达8A， 功率较大，所以PCB设计时必须解决好散热问题，器件手册中推荐图5所示在器件封装下边增加热盘垫并利用通孔和内部的地层相连来散热。在本设计中为了器件散热效果更好， 能够更稳定地工作，进一步扩展了敷铜面积，并额外增加了23个直径较大的通孔与PCB内部地层相连。图中用于输入电压去耦的c1、c2为10uF的陶瓷片电容，应尽可能地靠近器件。I1为铁氧体磁珠，用于滤除输出电压中的高频噪声， 将输出电流引向平面4再通过通孔引入内部1.2V电源层供给FPG ，3个22uF的大电容(C3、C4、C5)用于旁路低频噪声。

                               
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表1 TPS54810的部分管脚功能说明
管脚编号 管脚名称       管脚说明
1            AGHD             模拟地，应将散热盘垫连接到模拟地
6-14       PH                 输出管脚
15-19     PGHD           电源地、为了降低和模拟地之间的噪声、将二者相连
20-24     VIN              输入管脚．在靠近封装的地方用一个高Q、低ESR的10uF陶瓷电容旁路到PGN0


五、20-H规则
       20-H规则是一个经验规则， 由W.Michael King提出，可以表述如下：在高密度多层PCB中，为了减小电路板向自由空间辐射的电磁能量， 电源层的物理尺寸应该比地层的物理尺寸小20H，其中H是二者之间的距离。图6中左边部分为没有采用任何特殊设计的电源/地平面，PCB板边缘的RF辐射很强，可能影响周边电路的功能而右边部分为将电源平面尺寸降低X-H后PCB板边缘的RF辐射情况， 可以看出地平
面吸收了大量的磁力线， 降低了RF辐射能量。实验发现， 大约从10-H开始RF辐射强度开始下降；20-H时，地平面可以吸收百分之七十的磁通边界；当达到100-H时，辐射强度下降百分之九十八。Mark I.Montrose通过仿真分别对比了0-H、10-H和20-H规则下从PCB边缘辐射的电场强度E和磁场强度H，进一步验证了采用20-H规则后地平面可以吸收大量的PCB边缘辐射能量这一结论。 且发现电源与地平面之间距离越小，20-H规则的效率越高。另外， 应用20-H规则还可以提高PCB板的自谐振频率。

                               
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      值得注意的是，20-H规则并不是适用于所有的PCB结构。20-H规则是否有效取决于电路板的工作频率和PCB上电源/地平面的大小以及二者之间的距离。我们知道，电源/地平面的大小以及二者之间的距离决定了PCB板的自谐振频率。更进一步的研究表明：
如果电路板工作在自谐振频率的任意谐波频率时，20-H规则不再起作用，扩展的地平面不再吸收辐射能量， 更糟的是还会产生大量的辐射能量。所以在实际的高速电路中， 需要根据不同的情况决定是否应陔使用20-H规则。[/sell]

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