參考平面上的縫隙對(duì)PCB的影響

如果參考平面上有間隙，然后信號(hào)穿過該間隙，會(huì)在PCB中產(chǎn)生很多不良性能。比如：

EMI發(fā)射增加，EMI抗擾度受損，串?dāng)_增加，信號(hào)上升時(shí)間的惡化等。

但是，你說有影響就有影響了？咱還得眼見為實(shí)，是不是。

接下來，就來看一看實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吧！

參考平面有縫隙，會(huì)產(chǎn)生共模電流，進(jìn)而使EMI發(fā)射增加

當(dāng)信號(hào)下方的參考平面有間隙時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電纜上產(chǎn)生共模(CM)干擾電流，從而導(dǎo)致輻射EMI發(fā)射。

測(cè)試系統(tǒng)如下圖所示。

首先，?一個(gè)工作頻率約為 30 MHz、信號(hào)邊沿速率約為 2 納秒、振幅約為 3 V 峰峰值的小型振蕩器通過短 BNC 耦合器耦合到上圖的測(cè)試板（猜測(cè)是綠色方框里面的是振蕩器，耦合器應(yīng)該在背后，因?yàn)楝F(xiàn)在圖片上正對(duì)著的是BNC插座芯的那一邊）。?

然后，用一對(duì) 2 米長的導(dǎo)線通過鱷魚夾夾到電路板兩側(cè)的參考平面。?

最后，通過一對(duì)匹配電流探頭測(cè)量這些導(dǎo)線中產(chǎn)生的 CM 電流。?

測(cè)試板、發(fā)生器和電流探頭的特寫如下圖所示。

下圖顯示了在 2 米長的導(dǎo)線上測(cè)得的共模電流，左側(cè)是實(shí)心參考平面的結(jié)果，右側(cè)是帶縫隙的參考平面的結(jié)果（感覺圖中，是不是應(yīng)該標(biāo)注current1和current2,而不是current和voltage??）?？梢?，參考平面有縫隙的導(dǎo)線，測(cè)到的CM電流要大。

參考平面有縫隙，會(huì)使得PCB的EMI抗擾度下降

測(cè)試系統(tǒng)如下圖所示。

測(cè)試板還是那塊測(cè)試板，但是在距離其20厘米處，有一靜電槍，對(duì)其進(jìn)行低壓靜電放電(ESD的)。

下圖左側(cè)，顯示了在實(shí)體平面上布線的導(dǎo)體接收到的干擾信號(hào)。輻射干擾引起的信號(hào)幅度約為 100 mV，不足以破壞大多數(shù)數(shù)字電路的性能。

下圖右側(cè)，是參考平面有縫隙的導(dǎo)體接收到的干擾信號(hào)，幅度增加到3v左右 。足以對(duì)大多數(shù)數(shù)字電路的功能產(chǎn)生破壞。

由此證明了，在參考平面的縫隙上布線，對(duì)信號(hào)導(dǎo)體所產(chǎn)生的另一個(gè)不利影響，即更容易接收干擾信號(hào)。

這是因?yàn)?，由信?hào)導(dǎo)體和其在參考平面中的縫隙邊緣周圍產(chǎn)生的回流路徑，形成了大環(huán)路，而這個(gè)大環(huán)路構(gòu)成了一個(gè)高效的天線，有效地拾取了感應(yīng)輻射干擾。

有間隙的參考平面會(huì)是一個(gè)串?dāng)_源

走線穿過參考平面經(jīng)常導(dǎo)致的另一個(gè)問題是穿過間隙的導(dǎo)體之間的過度耦合（或串?dāng)_）。

如下圖所示。為上述測(cè)試板的一部分，上面有一條長約 12 cm 的導(dǎo)線（約 50 Ω），穿過參考平面中 5 cm 長的縫隙。然后在這個(gè)導(dǎo)線中灌入升時(shí)間約為 300 ps 的 300 mV 信號(hào)。

47ohm 負(fù)載電阻器（節(jié)點(diǎn) 1 和 2）兩端的波形下圖左側(cè)所示，而節(jié)點(diǎn) 3 和 4 處參考平面斷路的電壓如下圖右側(cè) 所示。右圖中的峰值電壓，幅度幾乎為 100 mV，表示信號(hào)的回流流過縫隙周圍路徑時(shí)，會(huì)有比較大的阻抗。

一般情況下，當(dāng)導(dǎo)線之間的距離超過10h時(shí)，互相之間就不會(huì)有什么影響了。

但是由于這個(gè)縫隙的存在，即使兩根導(dǎo)線距離1厘米，也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的串?dāng)_。上圖中3,4結(jié)點(diǎn)處的電壓會(huì)被耦合到其他導(dǎo)線中去。

因?yàn)?，在這種情況下，兩個(gè)導(dǎo)體必須在參考平面中的縫隙邊緣周圍共享一個(gè)公共返回路徑（即公共阻抗）。

會(huì)引起信號(hào)上升時(shí)間的變化

即使參考平面中的間隙相對(duì)較小且上升時(shí)間約為 300 ps，導(dǎo)體上的信號(hào)穿過參考平面中的間隙也可能會(huì)經(jīng)歷顯著的轉(zhuǎn)換（上升/下降）時(shí)間失真（構(gòu)成信號(hào)完整性問題）。

上升時(shí)間約為 300 ps 的測(cè)試信號(hào)從信號(hào)發(fā)生器通過 BNC 耦合器直接施加到測(cè)試板上的兩條導(dǎo)線中，其中一條路徑在連續(xù)平面上布線，而第二條路徑穿過平面上的5厘米間隙。

上圖中，描述了在終端測(cè)量的兩個(gè)信號(hào)的上升沿。參考平面連續(xù)的信號(hào)表現(xiàn)出明顯更快的邊沿速率和輕微的過沖，而通過平面間隙的速率較慢，過沖被濾除。

過間隙的信號(hào)的邊沿速率較慢的原因是，其參考平面中的回流路徑被迫繞過間隙的邊緣。此外，跨越間隙時(shí)回流路徑中的阻抗不連續(xù)性導(dǎo)致信號(hào)的較高頻率分量的反射。

從信號(hào)完整性和功能的角度來看，這種失真是無法容忍的。

參考平面的分割會(huì)產(chǎn)生輻射

用三維仿真軟件，對(duì)以下三種情況進(jìn)行仿真。

case1: 微帶線，參考平面為實(shí)平面，PCB大小為400X800X10mil，線寬為5mil。

case2: 帶狀線，兩個(gè)參考平面都是實(shí)平面，PCB大小為400X800mil,上下介質(zhì)厚度均為10mil,線寬為5mil。

case3: 帶狀線，一個(gè)參考平面為實(shí)平面，另一個(gè)平面有縫隙，PCB大小為400X800mil,上下介質(zhì)厚度均為10mil,線寬為5mil，但是在下面的參考平面上有一個(gè)50mil寬的縫隙。

板子的介電常數(shù)，均為4.5.

具體結(jié)構(gòu)如下圖所示，右側(cè)是參考平面上的回流分布。發(fā)現(xiàn)作為帶狀線，雖然上下兩面都有參考平面，但是如果其中一個(gè)參考平面上有縫隙，也會(huì)對(duì)帶狀線的性能產(chǎn)生影響。

下圖中表明，在間隙處電流不連續(xù)，H 和 E 場(chǎng)分布發(fā)生顯著增強(qiáng)。這表明波傳播確實(shí)發(fā)生在間隙中。

　　審核編輯：湯梓紅