本文主要介绍传输线的回流路径。
回流路径,即return path/current。高速数字信号在传输时,信号的流向是从驱动器沿PCB传输线到负载,再由负载沿着地或电源通过最短路径返回驱动器端。这个在地或电源上的返回信号就称信号回流路径。
信号是由电流传播的,确切的说,是电子的运动,电子流的特性之一就是电子从不在任何地方停留,无论电流流到哪里,必然要回来,因此电流总是在回路中流动,电路中任意的信号都以一个闭合回路的形式存在。对于高频信号传输,实际上是对传输线与直流层(返回路径)之间包夹的介质电容充电的过程。
信号电流经过传输线的分布电容流到返回路径上。只有信号电压变化的地方,即dV/dt不为零的地方,电流才从信号路径流到返回路径上。
数字电路通常借助于地和电源平面来完成回流。高频信号和低频信号的回流通路是不相同的。The return current will always follow the path of least impedance. At lower frequencies, this means the path of least resistance and at high frequencies this means the path of least inductance. 电路中的回流总是走阻抗最小的路径。低频信号回流选择电阻(resistance)最低路径,高频信号回路电流选择感抗(inductance)最低的路径。
传输线的参考平面可以是GND,也可以是VCC,但GND比VCC好,主要原因如下:
VCC被分割后本身面积较小,且传输线不可避免的会跨越不同的分割平面,故电磁场的抵消效果大打折扣;
VCC本身携带的杂讯电流比GND大很多,容易污染临近的信号线,造成额外的EMI。
由于PCB上会有许多器件同时开关,会产生不均匀的电能消耗,从而导致电源平面和地平面的不平衡,电源平面会因此产生通量相移,使得电源平面在通量对消方面比地平面差。
当信号路径在传输过程中切换层时,相应的返回路径没有改变,则信号的回流路径阻抗没有发生变化,依然会走原来的低阻抗路径。
当信号路径在传输过程中切换层的同时,返回路径也发生了改变,此时,返回电流只能从两个平面间的电容流过,返回电流围绕出砂孔盘旋而上,并转换到同一平面的另一表面上。此时电流在两平面的内表面上扩散开,并通过两平面间的电容耦合。两个返回路径平面构成一条传输线,而且返回电流受到的阻抗就是两平面的瞬态阻抗。
针对上述信号换层的情况,当多个高速信号的跳变同时出现在几个参考平面间时,在返回路径上产生的地弹电压就很大。减小地弹电压的惟一方法就是减小返回路径的阻抗。主要的措施有以下几种:
当信号路径换层时,总要有一个有相同参考电压的相邻平面,并且在切换平面间的短路过孔(Stitching Vias)应尽量靠近信号过孔。
具有不同直流电压的参考平面间的距离应尽量薄;信号换层时,尽量在相邻平面层之间切换(减小平面间的阻抗)。
扩大相邻切换过孔的距离,以免在初始瞬间当返回路径的阻抗很高时,返回电流叠加在一起。
当两参考平面间切换返回电流时,在这两个平面间并接一个去耦电容器(Stitching Caps),这样有助于减小返回路径的阻抗。在两平面间连接的分立电容器,能为返回电流从一个参考平面流到另一个参考平面提供一条低阻抗路径。
以上就是针对传输线的回流路径的介绍,针对电源的回流路径,可以参考之前的文章《开关电源之电流回路》、《开关电源之Layout of Buck Converter》,针对信号的回流路径,可以参考之前的文章《PCIx系列之“PCIe总线硬件设计”》。