電磁干擾講座:傳輸技術(shù)多層通孔和分離平面的概念

在走線路徑上使用通孔(via)，是任何高速傳輸技術(shù)極關(guān)切的課題，因為它會產(chǎn)生電磁干擾和串音。此外，在分離的平面之間，絕不能發(fā)生互相重迭(overlay)，這是PCB電路設(shè)計者最關(guān)心的問題之一。本文將介紹多層通孔、跳接、接地走線的概念及其之間關(guān)系，與各種分離平面的布線技巧，并說明可隔離電源和接電平面的鐵粉芯(ferrite)材質(zhì)之效能特性。

多層通孔

當(dāng)要將頻率(clock)訊號或高威脅性訊號由來源端繞線(routing)至負載端時，通常會經(jīng)過走線(trace)到達一個繞線平面(routing plane)，例如：X軸，然后經(jīng)過相同的走線到達另一個平面----例如：Y軸。而且假設(shè)每一個走線是與一個射頻回傳路徑(RF return path)緊鄰，則沿著全部的走線路徑，就可以與共模射頻電流(common-mode RF current)緊密耦合。不過，在實務(wù)上，這種假設(shè)只有一部份是正確的。

當(dāng)一個訊號走線從一電路層跳至另一電路層時，射頻回傳電流應(yīng)該沿著走線路徑流動。當(dāng)一個走線在兩個平面結(jié)構(gòu)之間，穿過一個PCB時，通常會將它們視為電源平面和接地平面，或者說這兩個平面具有相同的電位，而回傳電流在這兩個平面之間共享?；貍麟娏魑ㄒ豢梢栽谶@兩個平面之間跳接(jump)，是在去耦合電容的位置上。如果這兩個平面具有相同的電位，例如：0V(參考電壓)，則射頻回傳電流將會在連接兩平面的通孔處發(fā)生跳接，而此通孔是供給一個組件使用。

當(dāng)從一個水平層跳接至一個垂直層，射頻回傳電流是無法完全如此跳接的。這是因為在走線路徑上，有一個「不連續(xù)(discontinuity)」，那就是通孔。回傳電流現(xiàn)在必須尋找一個替代的低電感(阻抗)路徑，如此才能完成它的回路。這個替代路徑可能不在通孔旁邊，結(jié)果，在訊號走在線的射頻電流可能會耦合至其它電路中，并產(chǎn)生串音(crosstalk)和電磁干擾的問題。下列的設(shè)計技巧，能夠有效地減少因為電路層之間的跳接所產(chǎn)生的串音和電磁干擾問題：

1.首先，只在一個繞線層對所有的頻率訊號和高威脅性訊號做繞線，也就是說：X軸和Y軸回路都是在相同的平面上。PCB電路設(shè)計者可能會放棄這個技巧，因為它幾乎無法支持「自動繞線(autorouting)」。

2.一個固定的射頻回傳路徑必須緊鄰繞線層。而且，不因為使用通孔或走線跳接到另一個繞線平面，而造成回路不連續(xù)。

如果必須在水平和垂直的繞線平面之間，使用一個通孔來繞線，設(shè)計者必須在每一個通孔位置使用接地通孔(率先將接地通孔應(yīng)用到PCB的人是W. Michael King)，訊號軸是在這些位置上跳接的。接地通孔的電位永遠是0V。

接地通孔是直接與每個訊號回路通孔相鄰，從水平平面繞至垂直平面。只有當(dāng)PCB內(nèi)部具有一個以上的0V參考平面時，才能使用接地通孔。這個通孔和所有的接地平面(0V 參考電壓)連接，成為訊號跳接電流的射頻回傳路徑。本質(zhì)上，這個通孔和0V參考平面結(jié)合在一起，并和訊號走線的位置相鄰并行。當(dāng)每一個訊號走線的通孔使用兩個接地通孔時，將會有一個連續(xù)的射頻回傳路徑存在，射頻回傳電流會在它上面流動。這個接地通孔將維持一個固定的射頻回傳路徑(經(jīng)由映像平面)，與訊號回路完全相鄰。

當(dāng)只存在一個0V參考(接地)平面，而且替代平面的電壓是一般PCB四層板常使用的值時，會發(fā)生什么事呢?為了維持一個固定的射頻回傳路徑，此時，0V參考平面必須充當(dāng)為主要的回傳路徑。訊號走線必須穿過這個0V參考平面。當(dāng)走線必須穿過電源平面時，就必須使用接地走線；在接地走線的兩端使用通孔，與訊號走線平行，穿過電源平面，與0V參考平面連接。使用這種方法，就可以維持一個固定的射頻回傳路徑。如附圖一所示。

當(dāng)必須在電路層之間跳接時，要如何才能減少使用接地通孔呢？在正確的PCB電路設(shè)計中，最優(yōu)先的是頻率訊號的繞線，它是屬于「人工繞線」。在對這些優(yōu)先的少數(shù)走線(例如：所有的頻率訊號和高威脅性訊號)做繞線時，PCB電路設(shè)計者的選擇是比較多的，他們可以使用最短的走線距離(shortest Manhattan length)來繞線，使跳接位置緊鄰組件的接地通孔。此跳接將共享該組件的接地腳位之通孔。對這組件而言，此接地通孔將提供0V參考電壓，并允許射頻回傳電流產(chǎn)生一個跳接。如附圖二所示。

分離平面

當(dāng)使用多層板的PCB時，位于同一平面上的電源平面和接地平面有時會被分開。例如：將模擬電路和數(shù)字邏輯分開、I/O互連電路的隔離、不同參考電壓的分割(例如：將+5V區(qū)域和-48V區(qū)域分割)、組件的隔離，但這些都需要射頻回傳路徑。經(jīng)定義好的射頻回傳路徑可以被比喻為一個道路路線圖，射頻回傳電流只在已經(jīng)定義好的路徑上流動。

如果在一個平面上發(fā)生重迭，則必須在重迭的區(qū)域之間使用電容(大小是有限值)。如附圖三所示，C1允許射頻能量(是一個交流波形)，穿過一個噪聲平面，到達一個分開的、隔離的、安靜的平面，這是很糟糕的設(shè)計。這些平面的直流電壓是不變的，因為在這些平面之間，有使用濾波器來傳遞直流電壓。