高速電路回流路徑分析

轉載VirtuousLiu 最後釋出于2019-06-24 19:18:20 閱讀數 441  收藏

展開

注：此文章出處較多，RF技術社群等都可以搜到，轉載路徑[http://rf.eefocus.com/module/forum/thread-593360-1-1.html]。

基本電路理論告訴我們，信号是由電流傳播的，明确的說，是電子的運動，電子流的特性之一就是電子從不在任何地方停留，無論電流流到哪裡，必然要回來，是以電流總是在環路中流動，電路中任意的信号都有一個閉和環路。

1．回流的基本概念

數字電路的原理圖中，數字信号的傳播是從一個邏輯門向另一個邏輯門，信号通過導線從輸出端送到接收端，看起來似乎是單向流動的，許多數字工程師是以認為回路通路是不相關的，畢竟，驅動器和接收器都指定為電壓模式器件，為什麼還要考慮電流呢！

實際上，基本電路理論（KCL、KVL）告訴我們，信号是由電流傳播的，明确的說是電子的運動，電子流的特性之一就是電子從不在任何地方停留，無論電流流到哪裡，必然要回來，就像電池一樣正極到負極。

是以電流總是在環路中流動，電路中任意的信号都以一個閉合回路的形式存在。對于高頻信号傳輸，實際上是對傳輸線與直流層之間包夾的媒體電容充電的過程；高頻下，電流實際上是射頻電流，通過以電容或者電感的形式與傳輸線上流動，此時需要注意回流路徑阻抗要小，因為高頻電路回流路徑太大，極易導緻出現電磁輻射超标的問題。

2．回流的影響

數字電路通常借助于地和電源平面來完成回流。高頻信号和低頻信号的回流通路是不相同的，低頻信号回流選擇阻抗最低路徑，高頻信号回流選擇感抗最低的路徑。

當電流從信号的驅動器出發，流經信号線，注入信号的接收端，總有一個與之方向相反的傳回電流：從負載的地引腳出發，經過敷銅平面，流向信号源，與流經信号線上的電流構成閉合回路。這種流經敷銅平面的電流所引起的噪聲頻率與信号頻率相當，信号頻率越高，噪聲頻率越高。

當PCB闆上的衆多數字信号同步進行切換時(如CPU的資料總線、位址總線等)，這就引起瞬态負載電流從電源流入電路或由電路流入地線，由于電源線和地線上存在阻抗，會産生同步切換噪聲(SSN)，在地線上還會出現地平面反彈噪聲(簡稱地彈)。而當印制闆上的電源線和接地線的環繞區域越大時，它們的輻射能量也就越大，是以，我們對數字晶片的切換狀态進行分析，采取措施控制回流方式，達到減小環繞區域，輻射程度最小的目的。

典型信号回流路徑如下：

IC1為信号輸出端，IC2為信号輸入端（為簡化PCB模型，假定接收端内含下接電阻），第三層為地層。IC1和IC2的地均來自于第三層地層面。TOP層右上角為一塊電源平面，接到電源正極。C1和C2分别為IC1、IC2的退耦電容。圖上所示的晶片的電源和地腳均為發、收信号端的供電電源和地。

信号回流路徑分析：

在低頻時，如果S1端輸出高電平，整個電流回路是電源經導線接到VCC電源平面，然後經橙色路徑進入IC1，然後從S1端出來，經第二層的導線經R1端進入IC2，然後進入GND層，經紅色路徑回到電源負極。

在高頻時，PCB所呈現的分布特性會對信号産生很大影響。我們常說的地回流就是高頻信号中經常要遇到的一個問題。當S1到R1的信号線中有增大的電流時，外部的磁場變化很快，會使附近的導體感應出一個反向的電流，如果第三層的地平面是完整的地平面的話，那麼會在地平面上産生一個藍色虛線标示的電流，如果TOP層有一個完整的電源平面的話，也會在TOP層有一個沿藍色虛線的回流。此時信号回路有最小的電流回路，向外輻射的能量最小，耦合外部信号的能力也最小。（高頻時的趨膚效應也是向外輻射能量最小，原理是一樣的，阻抗大的話主要是寄生電感導緻的感抗大導緻電感兩端出現高頻電壓，進而輻射能量。）

由于高頻信号電平和電流變化都很快，但是變化周期短，需要的能量并不是很大，是以晶片是和離晶片最近的退耦電容取電的。當C1足夠大，而且反應又足夠快（有很低的ESR值，通常用瓷片電容。瓷片電容的ESR遠低于钽電容。），位于頂層的橙色路徑和位于GND層的紅色路徑可以看成是不存在的（存在一個和整闆供電對應的電流，但不是與圖示信号對應的電流）。

是以，按圖中構造的環境，電流的整個通路是：

由C1的正極→IC1的VCC→S1→L2信号線→R1→IC2的 GND→過孔→GND層的黃色路徑→過孔→電容負極。

可以看到，電流的垂直方向有一個棕色的等效電流，中間會感應出磁場，同時，這個環面也能很容易的耦合到外來的幹擾。

如果和圖中信号為一條時鐘信号，并行有一組8bit的資料線，由同一晶片的同一電源供電，電流回流途徑是相同的。如果資料線電平同時同向翻轉的話，會使時鐘上感應一個很大的反向電流，如果時鐘線沒有良好的比對的話，這個串擾足以對時鐘信号産生緻命影響。

這種串擾的強度不是和幹擾源的高低電平的絕對值成正比，而是和幹擾源的電流變化速率成正比，對于一個純阻性的負載來說，串擾電流正比于dI/dt=dV /(T¬10%-90%*R)。式中的dI/dt (電流變化速率)、dV(幹擾源的擺幅)和R(幹擾源負載)都是指幹擾源的參數(如果是容性負載的話，dI/dt是與T¬10%-90%的平方成反比的。)。

從式中可以看出，低頻的信号未必比高速信号的串擾小。也就是我們說的：1KHz的信号未必是低速信号，要綜合考慮沿的情況。對于沿很陡的信号，是包含很多諧波成分的，在各倍頻點都有很大的振幅。是以，在選器件的時候也要注意一下，不要一味選開關速度快的晶片，不僅成本高，還會增加串擾以及EMC問題。

任何相鄰的電源層或其它的平面，隻要在信号兩端有合适的電容提供一個到GND的低電抗通路，那麼這個平面就可以作為這個信号的回流平面。在平常的應用中，收發對應的晶片IO電源往往是一緻的，而且各自的電源與地之間一般都有0.01-0.1uF的退耦電容，而這些電容也恰恰在信号的兩端，是以該電源平面的回流效果是僅次于地平面的。而借用其他的電源平面做回流的話，往往不會在信号兩端有到地的低電抗通路。這樣，在相鄰平面感應出的電流就會尋找最近的電容回到地。如果這個“最近的電容”離始端或終端很遠的話，這個回流也要經過“長途跋涉”才能形成一個完整的回流通路，而這個通路也是相鄰信号的回流通路，這個相同的回流通路和共地幹擾的效果是一樣的，等效為信号之間的串擾。

3.電源跨分割的處理

對于一些無法避免的跨電源分割的情況，可以在跨分割的地方跨接電容、電阻或RC串聯構成的高通濾波器(如10歐電阻串680p電容，具體的值要依自己的信号類型而定，即要提供高頻回流通路，又要隔離互相平面間的低頻串擾)。這樣可能會涉及到在電源平面之間加電容的問題，似乎有點滑稽，但肯定是有效的。如果一些規範上不允許的話，可以在分割處兩平面分别引電容到地。

對于借用其它平面做回流的情況，最好能在信号兩端适當增加幾個小電容到地，提供一個回流通路。但這種做法往往難以實作。因為終端附近的表層空間大多都給比對電阻和晶片的退耦電容占據了。

回流噪聲是參考平面上的噪聲主要的來源之一。