EMC設(shè)計(jì)中信號(hào)回流的重要性

任何注入到系統(tǒng)中的電流最終都要回到源端。因此，信號(hào)不僅僅是在信號(hào)線上傳播，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(hào)線的完整和低阻抗對(duì)系統(tǒng)同樣重要。

1、信號(hào)在信號(hào)線和參考平面上傳送

在傳統(tǒng)的低速設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)中的回路電流沿著最小的電阻路徑回流，而在高速系統(tǒng)中，電流沿著最小的阻抗回路回流。在高頻下，回路的電感表現(xiàn)出的感抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(hào)線的正下方，如下圖：

2、高頻回流電流沿最小電感路徑回流

我們把提供給信號(hào)線回路電流的媒介稱作參考平面。在實(shí)際系統(tǒng)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(xù)性。一對(duì)差分信號(hào)之間可以互為參考，它們對(duì)參考平面的依賴沒有那么強(qiáng)。

如果在PCB上，信號(hào)的參考平面出現(xiàn)較大的不連續(xù)區(qū)域，如一條溝壑，那么在這個(gè)溝壑處，信號(hào)的回路電流無(wú)法通過(guò)緊貼信號(hào)走線線面的路徑傳送，而是必須繞開這個(gè)溝壑。這樣就給回流路徑增加了感抗，使得接收端信號(hào)的高頻分量衰減嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)臺(tái)階。如下圖：

3、回路不連續(xù)

在設(shè)計(jì)中盡量不要讓信號(hào)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(gòu)成一個(gè)跨越溝壑的交流通路，提供給高速的回路電流。

另一種常見的回路不連續(xù)的情況是信號(hào)在不同參考平面之間切換，同樣會(huì)給電源系統(tǒng)引入噪聲。下圖所示為4層PCB結(jié)構(gòu)，信號(hào)首先在第一層傳輸，然后通過(guò)一個(gè)過(guò)孔轉(zhuǎn)到第四層繼續(xù)傳輸，第二層和第三層為參考平面。當(dāng)信號(hào)在第一層時(shí)，回路電流在信號(hào)路徑對(duì)面的參考層第二層傳播，當(dāng)信號(hào)在第四層時(shí)，回路電流同樣在信號(hào)路徑對(duì)面的參考層第三層傳輸。那么當(dāng)信號(hào)穿過(guò)信號(hào)過(guò)孔時(shí)，回路電流如何從第三層傳到第二層呢?

4、信號(hào)切換參考平面

如果參考平面之間沒有直流通路，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。

5、回路電流通過(guò)平面之間的容性耦合傳遞

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(yīng)噪聲，傳播到系統(tǒng)的其他地方。由于這個(gè)噪聲非常類似于地彈噪聲，因此又將其稱為回路地彈。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(shì)，例如它們都是地平面，那么最直接有效的方法就是在信號(hào)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(xù)性。

6、利用地過(guò)孔減小回路電感

如果這兩個(gè)平面的電勢(shì)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(duì)電源系統(tǒng)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。

審核編輯：湯梓紅