【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、布局完成后才意識到接地架構(gòu)存在先天缺陷，最終導(dǎo)致產(chǎn)品EMI測試反復(fù)不通過，不得不返工調(diào)整。在這套PCB場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)計意圖轉(zhuǎn)化為合理的器件布局策略，以及如何在動手布線前選對適配場景的接地架構(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。
本系列前兩部分闡述了PCB場約束的基本物理原理，并提出了實用的布局技術(shù)，以最大限度降低電磁干擾(EMI)、減少干擾及對外部場的敏感性。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前期關(guān)鍵決策：如何將原理圖設(shè)計意圖轉(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、如何利用差分信號保持接地完整性、何種情況下選擇接地樹而非實心接地平面。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，是工程師面臨的常見挑戰(zhàn)。對于復(fù)雜電路板，應(yīng)如何進行布局規(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面積和所需的信號層數(shù)。其中多數(shù)工具會需要以下信息：
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擾所需的額外設(shè)計技術(shù)和間距納入考量。簡而言之，此類工具對實際應(yīng)用場景一無所知。
本文將提供一套指導(dǎo)流程，協(xié)助設(shè)計更優(yōu)質(zhì)的PCB。
從原理圖到布局
原理圖設(shè)計始終處于首位，設(shè)計人員應(yīng)透徹理解原理圖內(nèi)容及電路內(nèi)部工作原理。這一點至關(guān)重要，怎么強調(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)計方案）應(yīng)明確上述約束條件，但實際情況并非總是如此，有時可用空間極為有限。在原理圖中布置元器件時，應(yīng)反映實際布局需求，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)點應(yīng)在原理圖上標注為緊湊，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（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。所有上述細節(jié)均應(yīng)以適當方式標注在原理圖上，以明確從原理圖過渡到PCB設(shè)計時的關(guān)鍵要素。
器件布局與布線
在一定程度上，布局方案也會影響原理圖設(shè)計，比如當需要克服低層數(shù)板帶來的設(shè)計妥協(xié)，或進行多板設(shè)計（包括板對板連接器）時。差分信號的應(yīng)用即為典型案例（圖1）。此項技術(shù)常用于需長距離傳輸?shù)哪M或數(shù)字信號，例如電纜傳輸場景。在這項技術(shù)中，正負信號同時通過電纜傳輸（除地線外）。各信號產(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，或在PCB走線距離過長時使用。
圖1：在PCB上實現(xiàn)差分信號的兩種不同方式
圖1a中，兩條等長的互補信號線并行布設(shè)，共用同一接地平面。圖1b中，信號線分布于不同層，由接地平面分隔。由于各信號的物理位置幾乎相同，耦合的干擾信號也應(yīng)一致。因此，差分信號可有效抑制耦合噪聲。
有時無法完全消除地線中的電流，此時需將接地平面分割為多個區(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（如gnd1、gnd2、gnd3等），從而強制在布局中實現(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（無論是存儲還是耗散）。對于接地平面上方走線中的交流信號，信號地回流電流始終沿信號走線正下方的地平面流動。原本僅依據(jù)法拉第定律即可完成電磁場限制的目的，但信號走線周圍仍設(shè)有完整的接地平面（帶狀線設(shè)計則有兩個接地平面）。實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。
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。
先來看這個公式，在直流條件下(ω = 0)，線路的阻抗是√((R/G))（即損耗部分）。對于電流回流路徑，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損耗消耗的能量遠大于接地回路電感存儲的能量。當ω = 0時，直流回流電流不再局限于信號走線正下方區(qū)域，銅箔中的電流流動會在接地平面上產(chǎn)生電壓降。
圖2：PCB接地樹接地方法
構(gòu)建接地樹時，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量地為終點的分支。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。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)致測量誤差，具體取決于元器件布局及關(guān)鍵測量的接地參考點位置。由此可見，接地點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，確保大電流不會產(chǎn)生可被檢測到的電壓降。
在原理圖中，可對每個分支進行差異化標記，以強化PCB中的架構(gòu)設(shè)計。實際上，采用接地樹會顯著增加布局工作量，因為仍需為所有傳輸線提供受控（且狹?。┑膱隹臻g，以限制交流電磁場。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)期運行奠定堅實基礎(chǔ)。無論設(shè)計中采用實心接地平面還是精密控制的接地樹，目標始終一致：限制電磁場、控制回流電流、防止噪聲耦合至敏感節(jié)點。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)計所需的正確層數(shù)和疊層結(jié)構(gòu)。
參考文獻
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Howard W. Johnson和Martin Graham，High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic，PTR Prentice Hall，1993年4月。
Ralph Morrison，F(xiàn)ast Circuit Boards: Energy Management，John Wiley & Sons Publications，2018年1月。
作者簡介
James Niemann于2020年3月加入ADI公司，目前擔任現(xiàn)場應(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，曾從事測試與測量設(shè)備設(shè)計工作，目前擔任ADI現(xiàn)場應(yīng)用工程師。他持有15項專利。
總結(jié)
通過在原理圖上標注關(guān)鍵電路的物理距離要求，提前對齊后續(xù)布局的核心約束；借助差分信號技術(shù)維持接地完整性，避免不必要的地環(huán)路干擾；同時清晰拆解了低頻場景下接地樹結(jié)構(gòu)相比實心接地平面的獨特價值，明確了不同場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)計打下了扎實的理論與實踐基礎(chǔ)。
