地平面和電源平面是 PCB 設(shè)計(jì)中的大面積導(dǎo)電區(qū)域，具有多種用途。地平面為電氣信號(hào)提供公共參考點(diǎn)，并作為電流的返回路徑。電源平面將電源電壓輸送到板上的各個(gè)組件，以幫助在整個(gè) PCB 上均勻分配電源，從而減少電壓降并確保穩(wěn)定的供電。雖然電源平面提供了許多好處，但也帶來(lái)了對(duì)電流返回路徑的仔細(xì)規(guī)劃的需要，以防止信號(hào)退化，特別是在混合信號(hào)設(shè)計(jì)中。

電源和地平面的重要性

地平面通過(guò)為返回電流提供低阻抗路徑來(lái)幫助減少噪聲和 EMI，從而提高并保持信號(hào)完整性。與電源平面結(jié)合使用時(shí)，它們還能增強(qiáng)電源傳輸，并有助于防止在電源需求出現(xiàn)短時(shí)突發(fā)性峰值的應(yīng)用中出現(xiàn)的掉電問(wèn)題。額外的固體導(dǎo)電材料還有助于散發(fā) PCB 上元件產(chǎn)生的熱量，從而在不增加額外成本的情況下實(shí)現(xiàn)更好的熱管理。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，GND 和電源平面通過(guò)消除手動(dòng)布線 GND 和電源跡線的需要，提供了簡(jiǎn)化的布線和高密度設(shè)計(jì)。

相反，參考平面和電源平面也可能由于涉及的物理學(xué)原理而帶來(lái)一些挑戰(zhàn)。PCB 中任何兩個(gè)相鄰的層由于導(dǎo)電元件的鄰近性和它們之間的介電材料而自然形成電容器。這個(gè)過(guò)程包括信號(hào)跡線層和電源平面，如果不在 PCB 設(shè)計(jì)中考慮到這一點(diǎn)，就可能導(dǎo)致問(wèn)題。

多層 PCB 返回電流路徑

在純數(shù)字設(shè)計(jì)中，信號(hào)上升時(shí)間在幾納秒量級(jí)時(shí)，回流電流路徑傾向于緊密跟隨傳輸信號(hào)的走線。最近的地平面中的感應(yīng)電流呈窄高斯分布形狀展開。然而，在模擬設(shè)計(jì)中，回流電流路徑可能不直接跟隨走線。相反，回流電流可能跨越傳輸模擬信號(hào)的走線周圍相對(duì)較寬的區(qū)域。在這些情況下，展開區(qū)域往往越低模擬信號(hào)的開關(guān)頻率，區(qū)域就越大。

當(dāng)走線直接布線在實(shí)心參考平面上時(shí)，回流電流通常有一條直接的低阻抗路徑到達(dá)該平面。但在其他情況下，回流電流路徑會(huì)貫穿整個(gè)層疊結(jié)構(gòu)，直到到達(dá)合適的參考平面。如果不加以考慮和仔細(xì)規(guī)劃，這些回流電流路徑可能會(huì)變得非常長(zhǎng)，最終類似于在沒有合適參考平面的信號(hào)層之間進(jìn)行間接布線。這種感應(yīng)電流會(huì)導(dǎo)致混合信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)中模擬和數(shù)字部分之間的串?dāng)_和信號(hào)退化。

減輕回流電流路徑問(wèn)題

一種解決這個(gè)問(wèn)題的方法是將所有產(chǎn)生回流電流的元件放置在更靠近 GND 平面的那一側(cè)，以優(yōu)化回流路徑。或者，在電源和 GND 平面之間增加去耦電容器可以通過(guò)為回流電流提供到 GND 的低阻抗路徑來(lái)減輕 EMI 問(wèn)題。

層堆疊優(yōu)化可能適合設(shè)計(jì)人員以避免引入新的或依賴現(xiàn)有的去耦電容。例如，在一個(gè)四層 PCB 設(shè)計(jì)中，頂層可以用于信號(hào)和電源線，而底層可以只包含信號(hào)跡線。兩層內(nèi)層可用于參考平面。然后，兩個(gè)外層信號(hào)層都有一條直接的低阻抗路徑到其中一個(gè)內(nèi)層 GND 平面。更復(fù)雜的設(shè)計(jì)可能需要引入超過(guò)四層，以便信號(hào)跡線可以直接布置在合適的參考平面上。

該圖說(shuō)明了在四層 PCB 設(shè)計(jì)中排列層的三種可能方式。

可以使用兩層底層作為 GND 和電源平面，頂層用于信號(hào)，并在信號(hào)平面正下方添加一個(gè)額外的 GND 平面，從而實(shí)現(xiàn)非常低的阻抗 PDN。這種方法可以受益于高電流消耗或快速切換元件的設(shè)計(jì)。

地平面設(shè)計(jì)在混合信號(hào)設(shè)計(jì)中

在混合信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)中，接地平面設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是將混合信號(hào)區(qū)域盡可能隔離和分離，以防止干擾。如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保數(shù)字電路不會(huì)在 PCB 的模擬部分產(chǎn)生電流，因?yàn)槟M電路通常更容易受到噪聲的影響。

在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，通常不建議將 GND 平面物理分離成多個(gè)較小的部分，以防止平面之間未定義的返回電流路徑引起的問(wèn)題。只有當(dāng)需要物理隔離的 GND 信號(hào)出于監(jiān)管或物理原因時(shí)，才應(yīng)進(jìn)行完全分離，例如在安全關(guān)鍵應(yīng)用、隔離電源轉(zhuǎn)換器或高功率應(yīng)用中。

各自區(qū)域正上方的返回電流路徑都很明確。然而，在隔離參考平面之間的間隙中的確切行為難以估計(jì)。

在混合信號(hào) A/D 電路中，多個(gè)地平面可以為不同的信號(hào)類別提供不同的參考。然而，在這種情況下，設(shè)計(jì)人員通常希望使用網(wǎng)連接器將 GND 網(wǎng)在單一點(diǎn)連接起來(lái)。因此，主要目標(biāo)不是物理隔離，而是防止數(shù)字噪聲影響 PCB 上更易受影響的模擬子電路。

設(shè)計(jì)分離地平面的注意事項(xiàng)

如果需要或希望物理分離 AGND 和 DGND 區(qū)域，設(shè)計(jì)人員必須將數(shù)字信號(hào)僅布線在合適的數(shù)字參考平面上。類似地，模擬跡線必須位于模擬 GND 平面上，以防止兩個(gè)區(qū)域之間的 EMI 問(wèn)題和信號(hào)串?dāng)_。

如果需要網(wǎng)連接器，它應(yīng)該放置在這樣位置，不允許任何一種信號(hào)的返回電流流向不同的參考平面。當(dāng)同時(shí)處理低頻模擬和數(shù)字信號(hào)時(shí)，完全分離通常更容易管理。在具有高頻模擬子電路的混合設(shè)計(jì)中，網(wǎng)連接器可能更合適。

在隔離式電源轉(zhuǎn)換器的情況下，初級(jí)和次級(jí) GND 網(wǎng)應(yīng)該通過(guò)不同的方式連接——例如，使用一個(gè)非常高安全電容，允許輸出側(cè)的噪聲通過(guò)電容返回輸入側(cè)，同時(shí)保持隔離屏障。

縫合孔的作用及其對(duì)走線的影響

過(guò)孔縫合是一種技術(shù)，它利用過(guò)孔將不同層的 PCB 上的銅平面連接在一起。該方法有助于保持短、低阻抗的電流返回路徑，并創(chuàng)建低電磁噪聲的區(qū)域，這在射頻設(shè)計(jì)中是所期望的。

然而，考慮到過(guò)孔對(duì)附近走線和平面的潛在影響至關(guān)重要。過(guò)孔可能會(huì)引入阻抗不連續(xù)性、反射和串?dāng)_，尤其是在高頻時(shí)。此外，過(guò)孔會(huì)在實(shí)心參考平面上創(chuàng)建間隙，從而干擾附近走線的電流返回路徑。因此，需要仔細(xì)放置和布線以減輕這些影響，并確保 PCB 電源分配網(wǎng)絡(luò)的最佳性能。

底線

電源平面有助于減少噪聲和 EMI 并保持信號(hào)完整性。然而，由于電子物理學(xué)中的物理原理，它們帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮和規(guī)劃返回電流路徑及其對(duì)附近組件和導(dǎo)電層的影響，尤其是在混合信號(hào)設(shè)計(jì)中。

有幾種方法可以幫助緩解這些問(wèn)題。最常見的方法之一是層堆疊優(yōu)化，即設(shè)計(jì)者在多層設(shè)計(jì)中改變層的排列，將信號(hào)層放置在參考平面上方。這樣做可以確保到地線的短、低阻抗返回電流路徑。精心放置的去耦電容器也可以產(chǎn)生類似的效果。

在混合信號(hào)設(shè)計(jì)中，克服信號(hào)退化的一個(gè)方法是盡可能地將模擬和數(shù)字組件以及低頻組件分得開。通常建議使用單獨(dú)的接地平面，如果需要物理隔離或出于安全法規(guī)的要求。相反，設(shè)計(jì)者應(yīng)該采用其他方法，如單個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接或安全電容器。過(guò)孔圍欄也可以幫助在混合信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)中創(chuàng)建低噪聲區(qū)域。