電磁干擾講座:傳輸技術(shù)多層通孔和分離平面的概念

在走線路徑上使用通孔(via)，是任何高速傳輸技術(shù)極關(guān)切的課題，因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生電磁干擾和串音。此外，在分離的平面之間，絕不能發(fā)生互相重迭(overlay)，這是PCB電路設(shè)計(jì)者最關(guān)心的問(wèn)題之一。本文將介紹多層通孔、跳接、接地走線的概念及其之間關(guān)系，與各種分離平面的布線技巧，并說(shuō)明可隔離電源和接電平面的鐵粉芯(ferrite)材質(zhì)之效能特性。

多層通孔

當(dāng)要將頻率(clock)訊號(hào)或高威脅性訊號(hào)由來(lái)源端繞線(routing)至負(fù)載端時(shí)，通常會(huì)經(jīng)過(guò)走線(trace)到達(dá)一個(gè)繞線平面(routing plane)，例如：X軸，然后經(jīng)過(guò)相同的走線到達(dá)另一個(gè)平面----例如：Y軸。而且假設(shè)每一個(gè)走線是與一個(gè)射頻回傳路徑(RF return path)緊鄰，則沿著全部的走線路徑，就可以與共模射頻電流(common-mode RF current)緊密耦合。不過(guò)，在實(shí)務(wù)上，這種假設(shè)只有一部份是正確的。

當(dāng)一個(gè)訊號(hào)走線從一電路層跳至另一電路層時(shí)，射頻回傳電流應(yīng)該沿著走線路徑流動(dòng)。當(dāng)一個(gè)走線在兩個(gè)平面結(jié)構(gòu)之間，穿過(guò)一個(gè)PCB時(shí)，通常會(huì)將它們視為電源平面和接地平面，或者說(shuō)這兩個(gè)平面具有相同的電位，而回傳電流在這兩個(gè)平面之間共享。回傳電流唯一可以在這兩個(gè)平面之間跳接(jump)，是在去耦合電容的位置上。如果這兩個(gè)平面具有相同的電位，例如：0V(參考電壓)，則射頻回傳電流將會(huì)在連接兩平面的通孔處發(fā)生跳接，而此通孔是供給一個(gè)組件使用。

當(dāng)從一個(gè)水平層跳接至一個(gè)垂直層，射頻回傳電流是無(wú)法完全如此跳接的。這是因?yàn)樵谧呔€路徑上，有一個(gè)「不連續(xù)(discontinuity)」，那就是通孔?；貍麟娏鳜F(xiàn)在必須尋找一個(gè)替代的低電感(阻抗)路徑，如此才能完成它的回路。這個(gè)替代路徑可能不在通孔旁邊，結(jié)果，在訊號(hào)走在線的射頻電流可能會(huì)耦合至其它電路中，并產(chǎn)生串音(crosstalk)和電磁干擾的問(wèn)題。下列的設(shè)計(jì)技巧，能夠有效地減少因?yàn)殡娐穼又g的跳接所產(chǎn)生的串音和電磁干擾問(wèn)題：

1.首先，只在一個(gè)繞線層對(duì)所有的頻率訊號(hào)和高威脅性訊號(hào)做繞線，也就是說(shuō)：X軸和Y軸回路都是在相同的平面上。PCB電路設(shè)計(jì)者可能會(huì)放棄這個(gè)技巧，因?yàn)樗鼛缀鯚o(wú)法支持「自動(dòng)繞線(autorouting)」。

2.一個(gè)固定的射頻回傳路徑必須緊鄰繞線層。而且，不因?yàn)槭褂猛谆蜃呔€跳接到另一個(gè)繞線平面，而造成回路不連續(xù)。

如果必須在水平和垂直的繞線平面之間，使用一個(gè)通孔來(lái)繞線，設(shè)計(jì)者必須在每一個(gè)通孔位置使用接地通孔(率先將接地通孔應(yīng)用到PCB的人是W. Michael King)，訊號(hào)軸是在這些位置上跳接的。接地通孔的電位永遠(yuǎn)是0V。

接地通孔是直接與每個(gè)訊號(hào)回路通孔相鄰，從水平平面繞至垂直平面。只有當(dāng)PCB內(nèi)部具有一個(gè)以上的0V參考平面時(shí)，才能使用接地通孔。這個(gè)通孔和所有的接地平面(0V 參考電壓)連接，成為訊號(hào)跳接電流的射頻回傳路徑。本質(zhì)上，這個(gè)通孔和0V參考平面結(jié)合在一起，并和訊號(hào)走線的位置相鄰并行。當(dāng)每一個(gè)訊號(hào)走線的通孔使用兩個(gè)接地通孔時(shí)，將會(huì)有一個(gè)連續(xù)的射頻回傳路徑存在，射頻回傳電流會(huì)在它上面流動(dòng)。這個(gè)接地通孔將維持一個(gè)固定的射頻回傳路徑(經(jīng)由映像平面)，與訊號(hào)回路完全相鄰。

當(dāng)只存在一個(gè)0V參考(接地)平面，而且替代平面的電壓是一般PCB四層板常使用的值時(shí)，會(huì)發(fā)生什么事呢?為了維持一個(gè)固定的射頻回傳路徑，此時(shí)，0V參考平面必須充當(dāng)為主要的回傳路徑。訊號(hào)走線必須穿過(guò)這個(gè)0V參考平面。當(dāng)走線必須穿過(guò)電源平面時(shí)，就必須使用接地走線；在接地走線的兩端使用通孔，與訊號(hào)走線平行，穿過(guò)電源平面，與0V參考平面連接。使用這種方法，就可以維持一個(gè)固定的射頻回傳路徑。如附圖一所示。

當(dāng)必須在電路層之間跳接時(shí)，要如何才能減少使用接地通孔呢？在正確的PCB電路設(shè)計(jì)中，最優(yōu)先的是頻率訊號(hào)的繞線，它是屬于「人工繞線」。在對(duì)這些優(yōu)先的少數(shù)走線(例如：所有的頻率訊號(hào)和高威脅性訊號(hào))做繞線時(shí)，PCB電路設(shè)計(jì)者的選擇是比較多的，他們可以使用最短的走線距離(shortest Manhattan length)來(lái)繞線，使跳接位置緊鄰組件的接地通孔。此跳接將共享該組件的接地腳位之通孔。對(duì)這組件而言，此接地通孔將提供0V參考電壓，并允許射頻回傳電流產(chǎn)生一個(gè)跳接。如附圖二所示。

分離平面

當(dāng)使用多層板的PCB時(shí)，位于同一平面上的電源平面和接地平面有時(shí)會(huì)被分開。例如：將模擬電路和數(shù)字邏輯分開、I/O互連電路的隔離、不同參考電壓的分割(例如：將+5V區(qū)域和-48V區(qū)域分割)、組件的隔離，但這些都需要射頻回傳路徑。經(jīng)定義好的射頻回傳路徑可以被比喻為一個(gè)道路路線圖，射頻回傳電流只在已經(jīng)定義好的路徑上流動(dòng)。

如果在一個(gè)平面上發(fā)生重迭，則必須在重迭的區(qū)域之間使用電容(大小是有限值)。如附圖三所示，C1允許射頻能量(是一個(gè)交流波形)，穿過(guò)一個(gè)噪聲平面，到達(dá)一個(gè)分開的、隔離的、安靜的平面，這是很糟糕的設(shè)計(jì)。這些平面的直流電壓是不變的，因?yàn)樵谶@些平面之間，有使用濾波器來(lái)傳遞直流電壓。