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EMC設計中信號回流的重要性

來(lái)源: 時(shí)間:2022-04-15 10:41:27 瀏覽次數:

任何注入到系統中的電流最終都要回到源端。因此,信號不僅僅是在信號線(xiàn)上傳播,同時(shí)也是在參考平面上傳播,如下圖所示。所以保持參考平面的完整和低阻抗,與保持信號線(xiàn)的完整和低阻抗對系統同樣重要。

在傳統的低速設計中,系統中的回路電流沿著(zhù)最小的電阻路徑回流,而在高速系統中,電流沿著(zhù)最小的阻抗回路回流。在高頻下,回路的電感表現出的感抗遠遠大于其本身的電阻值,因此最小阻抗路徑也就是最小電感的路徑。通常情況下,最小電感的路徑就在信號線(xiàn)的正下方,如下圖:


我們把提供給信號線(xiàn)回路電流的媒介稱(chēng)作參考平面。在實(shí)際系統中,參考平面可以用VCC,也可以用GND,重要的一點(diǎn)是要保證參考平面的連續性。一對差分信號之間可以互為參考,它們對參考平面的依賴(lài)沒(méi)有那么強。

如果在PCB上,信號的參考平面出現較大的不連續區域,如一條溝壑,那么在這個(gè)溝壑處,信號的回路電流無(wú)法通過(guò)緊貼信號走線(xiàn)線(xiàn)面的路徑傳送,而是必須繞開(kāi)這個(gè)溝壑。這樣就給回流路徑增加了感抗,使得接收端信號的高頻分量衰減嚴重,甚至出現臺階。如下圖:


在設計中盡量不要讓信號的回路中存在溝壑,如果溝壑是不可避免的,可以在溝壑的兩端放置一些去耦電容,構成一個(gè)跨越溝壑的交流通路,提供給高速的回路電流。另一種常見(jiàn)的回路不連續的情況是信號在不同參考平面之間切換,同樣會(huì )給電源系統引入噪聲。下圖所示為4PCB結構,信號首先在第一層傳輸,然后通過(guò)一個(gè)過(guò)孔轉到第四層繼續傳輸,第二層和第三層為參考平面。當信號在第一層時(shí),回路電流在信號路徑對面的參考層第二層傳播,當信號在第四層時(shí),回路電流同樣在信號路徑對面的參考層第三層傳輸。那么當信號穿過(guò)信號過(guò)孔時(shí),回路電流如何從第三層傳到第二層呢?


如果參考平面之間沒(méi)有直流通路,回路電流只能通過(guò)兩個(gè)平面之間的容性耦合傳遞。在下圖中,我們可以清楚的看到回路電流是如何從第三層耦合到第二層的。


由于平面之間的耦合程度有限,回路電流在躍遷過(guò)程中,將遇到較大的阻抗。因此回路電流在這里將在兩個(gè)平面上產(chǎn)生一個(gè)感應噪聲,傳播到系統的其他地方。由于這個(gè)噪聲非常類(lèi)似于地彈噪聲,因此又將其稱(chēng)為回路地彈。那么,如何減小回路地彈噪聲呢?

如果這兩個(gè)平面具有同樣的電勢,例如它們都是地平面,那么最直接有效的方法就是在信號過(guò)孔附近加上幾個(gè)地過(guò)孔,直接連接兩個(gè)平面,如下圖所示,使回路電流就近通過(guò)這幾個(gè)過(guò)孔,保持回路的連續性。

如果這兩個(gè)平面的電勢不一樣,例如一個(gè)是VCC,另一個(gè)是GND,那么要減弱這個(gè)回路地彈噪聲對電源系統造成的影響,兩個(gè)平面之間增加一些去耦電容,為回路電流提供一個(gè)低阻抗的瞬態(tài)交流回路。

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