【導(dǎo)讀】很多PCB工程師都有過這樣的經(jīng)歷：布線到一半才發(fā)現(xiàn)層數(shù)預(yù)留不足、布局完成后才意識(shí)到接地架構(gòu)存在先天缺陷，最終導(dǎo)致產(chǎn)品EMI測(cè)試反復(fù)不通過，不得不返工調(diào)整。在這套PCB場(chǎng)約束系列的第三部分內(nèi)容里，就聚焦布線前最容易被忽略的兩大核心決策——如何把原理圖的設(shè)計(jì)意圖轉(zhuǎn)化為合理的器件布局策略，以及如何在動(dòng)手布線前選對(duì)適配場(chǎng)景的接地架構(gòu)，幫工程師從源頭規(guī)避復(fù)雜電路板的布局返工風(fēng)險(xiǎn)。
本系列前兩部分闡述了PCB場(chǎng)約束的基本物理原理，并提出了實(shí)用的布局技術(shù)，以最大限度降低電磁干擾(EMI)、減少干擾及對(duì)外部場(chǎng)的敏感性。本系列第三部分探討了決定復(fù)雜電路板布局成敗的兩項(xiàng)前期關(guān)鍵決策：如何將原理圖設(shè)計(jì)意圖轉(zhuǎn)化為合理的器件布局策略，如何在布線開始前選擇合適的接地架構(gòu)。本文論述了如何整理原理圖以滿足布局要求、如何利用差分信號(hào)保持接地完整性、何種情況下選擇接地樹而非實(shí)心接地平面。從一開始就正確做出上述基礎(chǔ)決策，是確保電路板首次通過EMI合規(guī)性測(cè)試的可靠途徑。
引言
在布局過程中才發(fā)現(xiàn)層數(shù)不足以正確完成設(shè)計(jì)，是工程師面臨的常見挑戰(zhàn)。對(duì)于復(fù)雜電路板，應(yīng)如何進(jìn)行布局規(guī)劃以避免返工？本系列第三部分將探討布線開始前必須解決的基礎(chǔ)規(guī)劃問題。
正確完成布局需要多大的物理面積（通常與元器件和引腳數(shù)量相關(guān)）？
如何利用原理圖指導(dǎo)器件布局決策，并在布線前避免干擾？
何種情況下需采用接地樹而非接地平面？
有一些在線工具可幫助估算PCB面積和所需的信號(hào)層數(shù)。其中多數(shù)工具會(huì)需要以下信息：
元器件和引腳總數(shù)是多少？
過孔焊盤環(huán)寬和鉆孔尺寸是多少？
允許的最小走線寬度是多少？
功能電壓間距的要求是什么？
此類在線工具雖然有幫助，但不夠全面。此類工具大多未考慮散熱要求、特定網(wǎng)絡(luò)的載流能力、因功能或安全間距要求而增加的電壓間距，也未將避免高敏感電路串?dāng)_所需的額外設(shè)計(jì)技術(shù)和間距納入考量。簡(jiǎn)而言之，此類工具對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景一無所知。
本文將提供一套指導(dǎo)流程，協(xié)助設(shè)計(jì)更優(yōu)質(zhì)的PCB。
從原理圖到布局
原理圖設(shè)計(jì)始終處于首位，設(shè)計(jì)人員應(yīng)透徹理解原理圖內(nèi)容及電路內(nèi)部工作原理。這一點(diǎn)至關(guān)重要，怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。
如前所述，電路板面積和尺寸通常取決于元器件和引腳數(shù)量，而疊層結(jié)構(gòu)則由網(wǎng)絡(luò)或傳輸線的數(shù)量及其功能決定。原理圖（或設(shè)計(jì)方案）應(yīng)明確上述約束條件，但實(shí)際情況并非總是如此，有時(shí)可用空間極為有限。在原理圖中布置元器件時(shí)，應(yīng)反映實(shí)際布局需求，或至少在原理圖中添加相應(yīng)注釋以輔助布局。需要緊湊布置的節(jié)點(diǎn)應(yīng)在原理圖上標(biāo)注為緊湊，需要靠近的電路應(yīng)在原理圖上就近放置。諸如此類的做法將有助于后續(xù)的器件布局工作。有些設(shè)計(jì)（如射頻或高速數(shù)字電路）需關(guān)注物理距離（傳播延遲）或其他模擬特性（例如精密模擬電路）；而在其他設(shè)計(jì)中，電路元器件可視為集總元件，物理距離不再重要。所有上述細(xì)節(jié)均應(yīng)以適當(dāng)方式標(biāo)注在原理圖上，以明確從原理圖過渡到PCB設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵要素。
器件布局與布線
在一定程度上，布局方案也會(huì)影響原理圖設(shè)計(jì)，比如當(dāng)需要克服低層數(shù)板帶來的設(shè)計(jì)妥協(xié)，或進(jìn)行多板設(shè)計(jì)（包括板對(duì)板連接器）時(shí)。差分信號(hào)的應(yīng)用即為典型案例（圖1）。此項(xiàng)技術(shù)常用于需長距離傳輸?shù)哪M或數(shù)字信號(hào)，例如電纜傳輸場(chǎng)景。在這項(xiàng)技術(shù)中，正負(fù)信號(hào)同時(shí)通過電纜傳輸（除地線外）。各信號(hào)產(chǎn)生的位移電流在地線上相互抵消，從而形成幾乎不受共模干擾或電磁干擾(EMI)影響的通信路徑。同樣的技術(shù)也可用于PCB上的短距離傳輸，以保持接地完整性，適用于精密或敏感模擬信號(hào)，或在PCB走線距離過長時(shí)使用。
圖1：在PCB上實(shí)現(xiàn)差分信號(hào)的兩種不同方式
圖1a中，兩條等長的互補(bǔ)信號(hào)線并行布設(shè)，共用同一接地平面。圖1b中，信號(hào)線分布于不同層，由接地平面分隔。由于各信號(hào)的物理位置幾乎相同，耦合的干擾信號(hào)也應(yīng)一致。因此，差分信號(hào)可有效抑制耦合噪聲。
有時(shí)無法完全消除地線中的電流，此時(shí)需將接地平面分割為多個(gè)區(qū)域，或改用接地樹結(jié)構(gòu)。是否有必要采用上述方法取決于布局的幾何形狀。為便于實(shí)施，可修改原理圖以分離地線：保持同一網(wǎng)絡(luò)，但使用不同的地線符號(hào)（如gnd1、gnd2、gnd3等），從而強(qiáng)制在布局中實(shí)現(xiàn)地線分離。
接地樹與接地平面
正如本系列第2部分所述，自然界總是傾向于從源端獲取最少能量（無論是存儲(chǔ)還是耗散）。對(duì)于接地平面上方走線中的交流信號(hào)，信號(hào)地回流電流始終沿信號(hào)走線正下方的地平面流動(dòng)。原本僅依據(jù)法拉第定律即可完成電磁場(chǎng)限制的目的，但信號(hào)走線周圍仍設(shè)有完整的接地平面（帶狀線設(shè)計(jì)則有兩個(gè)接地平面）。實(shí)心接地平面可提供更優(yōu)的高頻去耦性能（即在更高頻率下提供更低阻抗的電源），且大面積銅箔能更有效地限制直流和交流電磁場(chǎng)。
既然如此，為何還要使用接地樹結(jié)構(gòu)而非接地平面？圖2和圖3展示了這兩種方法，并附有描述有損傳輸線阻抗的公式。
先來看這個(gè)公式，在直流條件下(ω = 0)，線路的阻抗是√((R/G))（即損耗部分）。對(duì)于電流回流路徑，1/G同樣代表電阻，因此電流沿最小電阻路徑回流，充分利用所有可用銅箔。此現(xiàn)象本質(zhì)上是自然界在最小化能量。在此低頻情況下，I2R損耗消耗的能量遠(yuǎn)大于接地回路電感存儲(chǔ)的能量。當(dāng)ω = 0時(shí)，直流回流電流不再局限于信號(hào)走線正下方區(qū)域，銅箔中的電流流動(dòng)會(huì)在接地平面上產(chǎn)生電壓降。
圖2：PCB接地樹接地方法
構(gòu)建接地樹時(shí)，應(yīng)從變壓器開始，優(yōu)先引導(dǎo)噪聲最大的電流回流（圖2）。隨后，繼續(xù)將其他接地回流電流匯入以測(cè)量地為終點(diǎn)的分支。此方法可將接地噪聲和誤差轉(zhuǎn)換為易于抑制的共模信號(hào)。注：為適應(yīng)元器件位置，某些分支可能較長。最后可在所有分支上鋪設(shè)接地銅箔，在不影響此方法有效性的前提下降低電源阻抗。
圖3：PCB接地平面方法
先將接地平面的兩側(cè)分別指定為相鄰信號(hào)層的專用回流路徑。若未采用接地樹結(jié)構(gòu)，低頻下接地電流噪聲源轉(zhuǎn)化為共模誤差還是差模誤差，將完全取決于元器件布局。
而在高頻下，電感限制了總電流幅值，因此減少儲(chǔ)能成為降低源端能量提取的關(guān)鍵參數(shù)。
在低頻下，上述電流引起的接地電壓降可能導(dǎo)致測(cè)量誤差，具體取決于元器件布局及關(guān)鍵測(cè)量的接地參考點(diǎn)位置。由此可見，接地點(diǎn)的電位并非處處為零。
接下來分析圖3所示的接地平面布局。此方法通過控制回流電流路徑，確保大電流不會(huì)產(chǎn)生可被檢測(cè)到的電壓降。
在原理圖中，可對(duì)每個(gè)分支進(jìn)行差異化標(biāo)記，以強(qiáng)化PCB中的架構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)際上，采用接地樹會(huì)顯著增加布局工作量，因?yàn)槿孕铻樗袀鬏斁€提供受控（且狹小）的場(chǎng)空間，以限制交流電磁場(chǎng)。圖2中所示的所有接地銅箔填充均為解決此問題所必需。
結(jié)語
布線前的決策決定了后續(xù)設(shè)計(jì)的成敗。通過調(diào)整原理圖以滿足布局需求，并盡早選擇合適的接地架構(gòu)，可為電路板按預(yù)期運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。無論設(shè)計(jì)中采用實(shí)心接地平面還是精密控制的接地樹，目標(biāo)始終一致：限制電磁場(chǎng)、控制回流電流、防止噪聲耦合至敏感節(jié)點(diǎn)。本系列第4部分將在此基礎(chǔ)上，探討如何規(guī)劃電源系統(tǒng)布線、如何確定設(shè)計(jì)所需的正確層數(shù)和疊層結(jié)構(gòu)。
參考文獻(xiàn)
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Ralph Morrison，F(xiàn)ast Circuit Boards: Energy Management，John Wiley & Sons Publications，2018年1月。
作者簡(jiǎn)介
James Niemann于2020年3月加入ADI公司，目前擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，在美國俄亥俄州克里夫蘭工作。James擁有超過35年的豐富工作經(jīng)驗(yàn)，曾從事測(cè)試與測(cè)量設(shè)備設(shè)計(jì)工作，目前擔(dān)任ADI現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。他持有15項(xiàng)專利。
總結(jié)
通過在原理圖上標(biāo)注關(guān)鍵電路的物理距離要求，提前對(duì)齊后續(xù)布局的核心約束；借助差分信號(hào)技術(shù)維持接地完整性，避免不必要的地環(huán)路干擾；同時(shí)清晰拆解了低頻場(chǎng)景下接地樹結(jié)構(gòu)相比實(shí)心接地平面的獨(dú)特價(jià)值，明確了不同場(chǎng)景下兩種接地方案的適配邊界。這些布線前的基礎(chǔ)決策，正是幫助復(fù)雜電路板一次性通過EMI合規(guī)測(cè)試的核心前提，也為后續(xù)系列內(nèi)容探討電源布線與疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打下了扎實(shí)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。
