PCB回电流路径的平面事实

2019年7月23日

一名男子在海上失踪，正在寻找回家的路

如果你迷路了，想要回家是一种强大的情感。如果你不知道自己身在何处，在飞机上或船上试图找到回家的路会很可怕。就连我们的娱乐节目也利用了这种情感需求，比如《迷失太空》(Lost in Space)，或者干脆就是《迷失》(Lost)。无论你的处境如何，回到起点的动力是如此强大，人们会尽一切可能让它发生。令人惊讶的是，有了这种强大的情感需求，总是要找到回家的方法，许多设计师不理解在他们的PCB设计上明确的返回路径的同样重要的需求。

就像一个出发旅行的旅行者最终会想要回家一样，我们在电子设计中发出的信号也是如此。要做到这一点，需要一个清晰的返回路径，让这些信号找到返回的路。正如直线是从纽约到洛杉矶最有效的方式一样，直线也是信号从PCB上返回最有效的方式。然而，许多设计最终看起来像是它们的信号返回路径是绕过五大湖，穿过威斯康星州，然后穿过德克萨斯州，在回家之前被困在亚利桑那州的大峡谷。这里有一些关于如何在您的下一个设计中创建更好的PCB返回电流路径的想法，这些路径将采取直接的回家路线，而不是迷失在错误的方向上。

清晰PCB返回电流路径的重要性

当信号从信号源发出并到达目的地时，它就会想要返回信号源。为了做到这一点，它将试图通过阻力最小的路径找到最简单的返回方法。这是电路设计的一个相当基本的规则，从一开始就是我们行业的主要内容。不同的是，电子技术在高速信号方面的进步增加了将清晰的返回路径纳入设计的重要性。

在将通孔部件放置在电路板上，然后将原始的自动路由器在设计中丢失，以路由到任何它们想要的地方，明确的返回路径并不是那么重要。信号速度足够慢，无论如何配置布局的位置和路由，返回路径都会找到返回的路径。然而，随着当今设计速度的提高，这种情况已经发生了变化。为了减少电磁干扰(EMI)，有必要为你的信号建立一个清晰的返回路径。这通常是通过仔细规划PCB堆叠中相邻信号层的电源和接地层来实现的，这些信号层将可用于返回路径。PCB设计人员必须考虑电源完整性和高速布线，以控制以下影响:

串扰:在两个信号层之间使用地平面将有助于消除引起的横向耦合效应相声同时也为这些信号提供了一个良好的返回路径。
信号完整性:保存信号的完整性，应始终使用良好的路由技术。这包括在板内和通过与其他系统板的互连为高速信号提供不间断的返回路径。
控制阻抗:将使用的板材料，电介质层厚度和常数(Dk)，以及你的走线的金属厚度都将用于计算你的控制阻抗线宽度。控制阻抗路由的另一个因素是板层堆叠的配置，为不间断的信号返回路径提供平面层。

通过精心控制的层叠加，为信号返回路径提供足够的地面平面，许多战斗已经取得了胜利。但还有另一个问题必须考虑，以确保你的设计有它需要的信号返回路径。

OrCAD 3D布局分割平面在PCB返回电流路径的截图

分割平面对于设计整合很重要，但可能会导致返回路径的问题

穿越大峡谷;小心那些分裂的平面

在今天的PCB设计中有许多不同的电源和接地网，理想情况下需要自己的专用平面层。通常这些网的数量比堆栈中可用的平面层还要多。为了解决这一层困境，设计师通常会拆分它们的功率平面。有时，这只是为其中一个电网提供一个局部区域，有时则是在拥挤的地区迂回铺设电网。无论原因是什么，这些分裂都会导致信号返回路径出现问题。

当一个高速信号穿过电路板时，它期望在相邻的地平面上找到返回路径。然而，如果地平面被分割，因为需要通过该区域布线12伏电源，信号的返回路径被切断。就像大峡谷能有效地阻止汽车通过它一样，一个分裂的平面也能阻止信号在它的轨道上返回。这将导致各种各样的EMI问题，可以破坏你的设计的信号完整性性能。

这并不意味着你不应该使用分割平面，这只是意味着你应该注意如何在你的板层堆叠．提前规划你的位置和路由，这样你就知道敏感的高速路由需要去哪里，并相应地规划你的分割平面，以避免这些区域。这可能需要重新考虑组件的位置，但为这些高速信号保留一条不间断的返回路径是至关重要的。