接地層和電源層是 PCB 設(shè)計(jì)中的大導(dǎo)電區(qū)域，具有多種用途。接地層為電信號(hào)提供公共參考點(diǎn)，并作為電流的返回路徑。電源層將電源電壓傳輸?shù)诫娐钒迳系母鱾€(gè)組件，以幫助在整個(gè)PCB上均勻分配電源，從而減少壓降并確保穩(wěn)定的供應(yīng)。雖然電源平面具有許多優(yōu)點(diǎn)，但它們也需要仔細(xì)規(guī)劃電流返回路徑以防止信號(hào)衰減，尤其是在混合信號(hào)設(shè)計(jì)中。

電源層和接地層的意義

接地層通過(guò)為返回電流提供低阻抗路徑來(lái)幫助降低噪聲和 EMI，從而改善和保持信號(hào)完整性。與電源層相結(jié)合，它們還可以增強(qiáng)功率傳輸，并有助于防止在功率需求出現(xiàn)短暫、突然峰值的應(yīng)用中出現(xiàn)掉電問(wèn)題。添加的固體導(dǎo)電材料還有助于分散 PCB 上組件產(chǎn)生的熱量，從而有助于改善熱管理，而無(wú)需額外成本。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，GND 和電源層無(wú)需手動(dòng)布線 GND 和電源走線，從而提供簡(jiǎn)化的布線和更高密度的設(shè)計(jì)。

相反，由于電子學(xué)涉及的物理特性，參考層和電源層也可能帶來(lái)一些挑戰(zhàn)。由于導(dǎo)電元件和它們之間的介電材料的接近，PCB 中的任何兩個(gè)相鄰層自然會(huì)形成電容器。此過(guò)程包括信號(hào)走線層和電源層，如果在 PCB 設(shè)計(jì)中未考慮這些層，可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。

多層PCB返回電流路徑

在信號(hào)上升時(shí)間低（約幾納秒）的純數(shù)字設(shè)計(jì)中，返回電流路徑往往會(huì)跟隨緊密傳輸信號(hào)的走線。最近GND平面中的感應(yīng)電流以類似于窄高斯分布的形狀展開(kāi)。然而，模擬設(shè)計(jì)中的返回電流路徑可能不會(huì)直接跟隨走線。相反，返回電流可以跨越傳輸模擬信號(hào)的走線周圍相對(duì)較寬的區(qū)域。在這些情況下，模擬信號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率越低，擴(kuò)散面積往往越大。

當(dāng)走線直接布線在實(shí)體參考平面上方時(shí)，返回電流通常具有通往該平面的直接低阻抗路徑。但在其他情況下，返回電流路徑會(huì)繼續(xù)貫穿整個(gè)層疊層，直到到達(dá)合適的參考平面。如果不考慮和仔細(xì)規(guī)劃，這些返回電流路徑可能會(huì)變得很長(zhǎng)，最終類似于信號(hào)層之間的間接布線，中間沒(méi)有合適的參考平面。這種感應(yīng)電流會(huì)導(dǎo)致混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)的模擬和數(shù)字部分之間的串?dāng)_和信號(hào)衰減。

緩解返回電流路徑問(wèn)題

解決這個(gè)問(wèn)題的一種方法是將所有感應(yīng)返回電流的元件放置在更靠近GND平面的一側(cè)，以優(yōu)化返回路徑。或者，在電源層和GND層之間增加去耦電容，可以通過(guò)為GND的返回電流提供低阻抗路徑來(lái)緩解EMI問(wèn)題。

層疊層優(yōu)化可能適合設(shè)計(jì)人員避免引入新的去耦電容器或依賴現(xiàn)有的去耦電容器。例如，在四層PCB設(shè)計(jì)中，頂層可用于信號(hào)和電源線，而底層可以專門包含信號(hào)走線。兩個(gè)內(nèi)層可用于參考平面。然后，兩個(gè)外部信號(hào)層都有一條直接的低阻抗路徑，通向內(nèi)部GND平面之一。更復(fù)雜的設(shè)計(jì)可能需要引入四層以上，以便信號(hào)走線始終可以直接布線到合適的參考平面上方。

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

使用兩個(gè)底層作為 GND 和電源層、頂層用于信號(hào)以及信號(hào)平面正下方的附加 GND 平面，可以實(shí)現(xiàn)極低阻抗的 PDN。這種方法有利于具有高電流消耗或快速開(kāi)關(guān)組件的設(shè)計(jì)。

混合信號(hào)設(shè)計(jì)中的接地層設(shè)計(jì)

在混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)中，接地層設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是盡可能隔離和分離混合信號(hào)區(qū)域，以防止干擾。如果這不可行，設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保數(shù)字電路不會(huì)在PCB的模擬部分感應(yīng)出電流，因?yàn)槟M電路通常更容易產(chǎn)生噪聲。

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)較小的平面，以防止平面之間未定義的返回電流路徑引起的問(wèn)題。相反，只有在出于監(jiān)管或物理原因需要物理隔離的GND信號(hào)時(shí)，才應(yīng)進(jìn)行完全分離，例如在安全關(guān)鍵型應(yīng)用、隔離式電源轉(zhuǎn)換器或高功率應(yīng)用中。

各個(gè)區(qū)域正上方的返回電流路徑已明確定義。然而，很難估計(jì)隔離參考平面之間間隙的確切行為。

在混合信號(hào) A/D 電路中，多個(gè)接地層可以為不同的信號(hào)類別提供不同的參考。然而，在這些情況下，設(shè)計(jì)人員通常希望使用網(wǎng)絡(luò)連接在單個(gè)點(diǎn)上連接 GND 網(wǎng)絡(luò)。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)分離接地層的注意事項(xiàng)

如果需要或需要物理上分離的 AGND 和 DGND 區(qū)域，設(shè)計(jì)人員必須僅在合適的數(shù)字參考平面上方布線數(shù)字信號(hào)。同樣，模擬走線必須位于模擬GND平面上方，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)絡(luò)連接，則應(yīng)放置它，使其不允許來(lái)自一種信號(hào)的任何返回電流進(jìn)入不同的參考平面。當(dāng)同時(shí)處理低頻模擬和數(shù)字信號(hào)時(shí)，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)絡(luò)連接可能更合適。

對(duì)于隔離式電源轉(zhuǎn)換器，初級(jí)和次級(jí)GND網(wǎng)絡(luò)應(yīng)通過(guò)不同的方式連接，例如，使用非常高值的安全電容器，允許來(lái)自輸出側(cè)的噪聲通過(guò)電容器返回到輸入側(cè)，同時(shí)保持隔離屏障。

縫合過(guò)孔的作用及其對(duì)走線的影響

過(guò)孔縫合是一種利用過(guò)孔將 PCB 不同層上的銅平面連接在一起的技術(shù)。該方法可以幫助保持較短的低阻抗電流返回路徑，并創(chuàng)建具有低電磁噪聲的區(qū)域，這在射頻設(shè)計(jì)中是需要的。

然而，考慮過(guò)孔對(duì)附近走線和平面的潛在影響至關(guān)重要。過(guò)孔會(huì)引入阻抗不連續(xù)性、反射和串?dāng)_，尤其是在高頻下。此外，過(guò)孔會(huì)在實(shí)體參考平面中產(chǎn)生間隙，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最佳的 PCB 配電網(wǎng)絡(luò)性能。

底線

電源平面有助于降低噪聲和 EMI 并保持信號(hào)完整性。然而，由于電子學(xué)涉及物理原理，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)附近元件和導(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問(wèn)題。最常見(jiàn)的方法之一是層疊層優(yōu)化，其中設(shè)計(jì)人員更改多層設(shè)計(jì)中的層排列，以將信號(hào)層移動(dòng)到參考平面上方。這樣做可以確保向GND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)衰減的一種方法是盡可能分散頻率非常低的模擬和數(shù)字組件。通常僅在需要或需要物理隔離時(shí)（例如，由于安全法規(guī)）才建議使用單獨(dú)的接地層。相反，設(shè)計(jì)人員應(yīng)采用其他方法，例如單個(gè)網(wǎng)絡(luò)扎帶或安全電容器。過(guò)孔圍欄還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。